Iinfrastrucure du réseau cellulaire GSM

8/3/2019 Iinfrastrucure du rseau cellulaire GSM

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Un petit historiqueAu dbut de notre sicle, le tlphone rvolutionna nos moyens de communiquer

permettant enfin de dialoguer longue distance. Malgr des dbuts difficiles, le tlphone

fixe est devenu au mme titre que l'eau courante ou l'lectricit un service de base. En1956, le premier rseau franais de tlcommunications mobiles vt le jour sous l'gide de

Thomson. Mais la capacit, limite quelques centaines d'abonns le rserve aux seuls

ministres et grands patrons. Les annes 80 voient natre deux nouveaux rseauxnationaux, Radiocom 2000 de FTM (France Tlcom Mobile) et celui d'une socit

prive (Vivendi ex Compagnie Gnrale des Eaux). Les prix taient alors trs levs

malgr la prsence de deux oprateurs et donc d'une certaine concurrence. En effet ces

rseaux ne pouvaient supporter qu'un petit nombre d'abonns: France Tlcom a mmedu arrter la commercialisation de Radiocom 2000 pour cause de saturations.

En 1990, l'initiative de la Communaut Europenne, le groupe GSM est cr dans le

but d'harmoniser les techniques de tlcommunications. Avec les progrs del'informatique et des codages numriques, une nouvelle rvolution se profile. Latlcommunication mobile allait enfin devenir un service de masse. FTM lance en juillet

1992 le premier rseau GSM en France. Alors que les marchs europens s'emballent, la

France ne semble pas touche par la vague "mobile". Ce n'est qu'une question de temps...

En aot 1998, le rseau de FTM tombe en panne victime de son succs. SFR est

galement confronte des problmes de saturation malgr sa politique d'investissement

ambitieuse (plus de 3,5 MdF par an). Aujourd'hui avec plus de 13 millions d'abonns et

l'apparition d'un troisime oprateur (Bouygues Tlcom) les Franais ont aussi ttouchs par la "folie des mobiles". La socit SFR a d'ailleurs engrang ses premiers

bnfices en 1998: 2 milliards de Francs. Aujourd'hui un tlphone mobile s'achte dansn'importe quelle grande surface. Mais le march n'est pas pour autant satur: unecroissance moyenne de 500 000 nouveaux abonns par mois en fait mme un march

ultra porteur; les oprateurs tudient mme la possibilit d'quiper les enfants de 6 ans.

Ce succs peut s'expliquer grce la normalisation europenne qui permet de rduire

considrablement le prix des terminaux (de 20 000F pour Radiocom 2000 500Faujourd'hui), mais surtout grce la baisse du prix des communications. Ces diminutions

sont permises grce aux nouvelles possibilits offertes par les rseaux GSM. En effet du

fait de son infrastructure cellulaire le rseau GSM offre de bonnes possibilitsd'extension. La transmission numrique sur l'interface radio permet elle aussi un taux

optimal de transfert de donnes. Enfin la scurit offerte par ces rseaux tant nettement

suprieure aux anciens systmes ne peut que rassurer l'utilisateur.


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Iinfrastrucure du rseau

cellulaire GSM Qu'est ce qu'un rseau cellulaire?

Sous-systme radio (BSS)

o Station de base (BTS)

o Diffrents types stations de base

o Contrleur de base (BSC)

Sous-systme rseau

o Base de donnes

o

Commutateur de services mobiles (MSC-VLR) Interfaces rseau

Qu'est ce qu'un rseau cellulaire?Un rseau cellulaire est un rseau de tlcommunications mobiles qui doit rpondre

aux contraintes imposes par la mobilit de labonner dans le rseau, par l'tendue du

rseau et enfin par les ondes radios qui lui sont alloues.

L'onde radio dans le cas d'un rseau cellulaire est le lien entre l'abonn et

l'infrastructure de l'oprateur. Comme dans tout rseau tlphonique l'change de donnes

doit se faire dans les deux sens. Ainsi contrairement la radio FM classique, l'installationd'une antenne mettrice puissante par l'oprateur ne suffit pas raliser un rseau

efficace. L'abonn doit aussi mettre: Si on appelle Pe la puissance d'mission d'un

metteur et Pr la puissance reue par un rcepteur une distance d, les lois de la

propagation des ondes nous disent que:

Cette contrainte impose donc que l'abonn et l'metteur du rseau soient proximit.De plus un oprateur n'a qu'une bande de frquence rduite (bande passante) qui lui est

alloue par l'UIT (Union Internationale des Tlcommunications). Si on part du principequ'un tlphone = une frquence, l'ensemble des frquences pour tout le rseau GSMfranais permettrait de satisfaire tout au plus un demi millier d'abonns (capacit

thorique du rseau) on en compte plus de treize millions. Il a donc fallu trouver des

astuces pour ouvrir au plus grand nombre ces rseaux. Tout d'abord chaque terminalutilise lors d'une communication une frquence variable qui lui est attribue par

l'oprateur en fonction des ressources disponibles. Mais cette seule astuce ne suffirait pas

satisfaire tous les abonns dans les zones les plus denses. Prenons un exemple: Lyon,
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il semblerait simple de placer un metteur dans la tour mtallique de Fourvire: sa

position stratgique lui permettrait d'avoir un rayonnement important et de couvrir

l'ensemble de l'agglomration Lyonnaise! Seulement il y aurait un problme, commenous l'avons vu la quantit d'appel est limit: le nombre d'appel simultanment possible

sur l'agglomration Lyonnaise serait insuffisant pour satisfaire les abonns. C'est

pourquoi on a introduit le concept de cellules.

L'oprateur peut rutiliser une frquence dans plusieurs endroits gographiques dansla mesure o il n'y a pas de risque d'interfrences. Chaque zone couverte par un metteur

est appele cellule. Leur taille est variable de 200 mtres 20 kilomtres pour les plus

grandes. Deux cellules mitoyennes ne peuvent utiliser deux frquences similaires causedes interfrences. L'oprateur gre ainsi la bande passante qui lui a t allou par l'tat de

cellule en cellule. Plus la taille d'une cellule est petite, plus la quantit d'appels passs sur

le rseau pour une surface donne est grande. On modlise les cellules par des hexagones,ce qui permet de bien visualiser les contacts avec les cellules voisines et donc de limiter

les risques d'interfrences.

Exemples de cellules

Si chaque cellule peut accepter 40 communications en simultan (ce qui quivaut

environ 1000 abonns), 300 cellules permettent de grer un parc de 200 000 abonns.

La prsence d'un grand nombre de cellules lies la mobilit de l'utilisateur implique

une des fonctionnalits les plus rvolutionnaires du GSM: le "handover": c'est dire lacapacit pour un terminal de changer de cellule et donc de relais de manire tout fait

transparente (sans coupure de la communication).

De plus, le rseau GSM est normalis au niveau europen, ce qui permet un abonn

de tlphoner hors de son pays (on les appelle "roamers"). Les accords entre lesoprateurs de pays diffrents permettent d'offrir un service mondial sans changer ni son

abonnement, ni son terminal. Par exemple SFR propose de tlphoner dans plus de 67

pays grce l'option "transcontinent".

Un rseau de radiotlphonie peut se dcouper en trois sous-ensembles:

Le sous-systme radio (BSS) qui assure les transmissions et gre la ressource

radio,

Le sous-systme rseau (NSS) qui comprend l'ensemble des fonctions ncessaires l'tablissement des appels et la mobilit,


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Le sous-systme d'exploitation (OMC) et de maintenance qui permet l'oprateur

d'administrer son rseau. On ne dtaillera pas cette partie qui est propre chaque

oprateur et qui relve plus du service que de la technique.

Sous-systme radio (BSS)Le sous-systme radio est l'ensemble des constituants du rseau qui gre l'change et la

transmission des donnes par la voie hertzienne. Le sous-systme radio est

principalement constitu de deux lments: la station de base et le contrleur de station.

Station de base (BTS)La BTS est un ensemble d'metteurs-rcepteurs. Elle gre les problmes lis la

transmission radio (modulation, dmodulation, galisation, codage correcteur d'erreur).Le placement et le type des BTS dterminent la forme des cellules. Elle ralise aussi des

mesures radio pour vrifier qu'une communication en cours se droule correctement

(valuation de la distance et de la puissance du signal mis par le terminal de l'abonn):Ces mesures sont directement transmises laBSC.

La rpartition gographique et le type de BTS utilises jouent un rle primordial pour

valuer la qualit d'un rseau. La capacit maximale d'une BTS est de 16 porteuses, c'est

dire qu'elle peut supporter au plus une centaine de communications simultanes. Uneconfiguration en zone urbaine est constitue d'une BTS 4 porteuses pouvant couler

environ 28 communications. Comme nous l'avons vu plus haut la bande passante alloue

un oprateur est limite. C'est pourquoi il doit rduire au minimum la puissance de ses

BTS en ville de manire ce qu'elles couvrent une zone la plus restreinte possible. Maiscela entrane videmment une multiplication importante des cots: une BTS cote en

moyenne 2 000 000 F!

Ainsi, la rue Mercire Lyon, trs frquente, doit faire l'objet d'une couverture d'unedensit exceptionnelle (une BTS couvre 250m de la rue). En revanche des zones peu

peuples telles que la Lozre auront des BTS couvrant une zone d'un rayon de 20kms (si

BTS il y a, car ce ne sont pas des zones rentables pour un oprateur). La couverture doit

aussi prvoir les migrations saisonnires: prenons l'exemple de Val d'Isre (SavoieFrance). Entre la priode creuse du mois de novembre o seuls les habitants permanents

utilisent le rseau, et la priode charge du mois de fvrier o s'ajoutent les saisonniers et

les vacanciers le trafic est multipli par 20! Il faut donc installer un rseau supportant lacharge maximale. Dans le cas de Val d'Isre le problme se complique cause des

roamers. L'oprateur d'un site doit donc prendre en compte de multiples facteurs

considrant prioritairement la qualit du service pour effectuer la couverture d'un site.

En dcembre 97, 85% des communications transmises depuis les BTS de Val d'Isre durseau SFR, ont t passs par des abonns issus d'un rseau tranger. Ce phnomne est

essentiellement du au Critrium de la premire neige (course de ski internationale

importante). Le problme se complique particulirement lors de grands vnements enparticulier sportifs: le dbut de l't dernier a t sans doute la priode la plus difficile que

les oprateurs de tlphone mobile aient connu en France. La Coupe du monde de
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football a drain une trs grande quantit de touristes, de journalistes, de sportifs utilisant

abondamment les rseaux GSM. Lors des matches, l'ensemble des BTS couvrant les

stades tait satur, les BTS des grandes villes Franaises et en particulier de Paris taientconstamment surcharges malgr les importants investissements consentis par les

oprateurs pour cet vnement! Une rgle d'or dans le domaine GSM: les prvisions sont

toujours sous-estimes.

De plus la croissance des rseaux en terme d'abonns (au premier trimestre 1999, il y aeu 1,3 million d'abonns supplmentaires en France tous oprateurs confondus) impose

une continuelle remise niveau des BTS. La plupart du temps, les oprateurs choisissent

d'augmenter la densit les BTS en rduisant leur porte: ce choix impose leredploiement du rseau dj existant.

La variation du trafic au cours de la journe complique encore les tudes d'implantation

des BTS. Le nombre d'abonns qu'un oprateur peut supporter dpend du nombre de

BTS. Mais, si un abonn est proximit d'une BTS sans utiliser son tlphone, il n'utilise

pas la bande passante de la BTS: le problme est de savoir combien d'abonns une BTSpeut avoir proximit en offrant toujours la possibilit d'entamer une conversation. On

introduit alors la notion d'erlang: l'unit de trafic appele erlang correspond 1 heure decommunication. Par exemple, si un abonn a pass 3 communications d'une dure

moyenne de 2 minutes pendant l'heure charge, l'intensit du trafic gnr par l'abonn

sur une BTS est de:

Dans le cas des rseaux GSM, le trafic moyen par abonn est d'environ 0,025 erlangs.

Les modles d'erlang cherchent tre reprsentatifs des appels qu'une BTS subit tout au

long d'une journe. Mais plus la recherche est pousse loin, plus les modles sont

complexes et leur maniement difficiles. En admettant que lorsqu'une BTS est sature,l'appel est rejet, en supposant que les tentatives d'appels arrivent suivant une loi de

Poisson sur la BTS, on peut valuer la quantit d'abonns qu'une BTS peut supporter de

la manire suivante:

Soit l le taux moyen des demandes de services (le plus souvent des appels)

Soit m le taux moyen d'activit d'un des S canaux de la BTS

Soit A = l/m le trafic thorique offert (A est en erlang)

La probabilit de l'tat satur et donc de rejet sera donc:


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Cette formule nous montre donc que la probabilit de rejet n'est pas une fonction

linaire du nombre de canaux de communications disponibles. L'tude pralable et la

dtermination de l et m pour un site donn permet donc de dterminer le nombre decanaux ncessaires pour une BTS. Plus Pr est petit, meilleure sera la performance du

rseau et donc la satisfaction du client.

Diffrents types stations de baseIl existe diffrents types de BTS proposs pour rpondre aux diffrents besoins tudis

ci-dessus. Le rseau SFR en compte plus de 6 000 en France. Ces stations sont conues

par diffrents constructeurs qui respectent strictement la norme GSM de manire ce que

le matriel de diffrents constructeurs puisse tre compatible. Les BTS sont de puissancevariable de manire viter les interfrences entre deux cellules: comme nous le verrons,

il est important de rguler la puissance du portable de manire viter ces mmes

interfrences.

Les BTS rayonnantesElles sont idales pour couvrir les sites o la densit d'abonns est faible. Elles sont

situes sur des points stratgiques (sommets, pylnes). Ces stations mettent dans

toutes les directions: ce sont les stations les plus visibles. Elles couvrent desmacrocellules. On en trouve en abondance au bord des autoroutes. Ces BTS ne peuvent

pas tre utilises dans les zones de forte densit car elles mettent et occupent la bande

passante du rseau sur une grande distance (jusqu' 20 kms).

Les BTS ciblsElles sont le plus souvent places dans des zones plus forte densit d'abonns que les

BTS rayonnantes. On les retrouve en ville par exemple. Elles sont de forme relativement

allonge et permettent d'mettre suivant un angle trs prcis: on peut grce celarutiliser facilement le mme canal dans une autre cellule proximit.


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Micro BTS (rue Mercire Lyon, Rhne, France)

Les amplificateurs de signalCe ne sont pas des BTS proprement dites mais ils permettent de couvrir une autre cellule

comme le ferait une vritable BTS. Les amplificateurs de signal captent le signal mis par

les BTS, l'amplifient et le remettent d'un autre sit. Ils permettent de couvrir une cellule

moindre cot. De plus, ces amplificateurs ne ncessitent aucune connexion vers les BSC,ils peuvent donc tre placs sans contraintes physiques (sommet isol de tous rseaux

lectriques et tlcoms). Idals pour couvrir les zones faible densit ou relief difficile,ils sont nanmoins trs gourmands en ressource rseau, car la BTS mre doit grer tout le

trafic des rmetteurs.


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Contrleur de base (BSC)Le contrleur de base (BSC) est l'organe intelligent du sous systme radio. Il a pour

fonction de grer la ressource radio. Il commande l'allocation des canaux, utilise les

mesures effectues par la BTS pour contrler les puissances d'mission du mobile: cettedernire est fonction de la distance mobile metteur de telle manire que la liaison soit

toujours de bonne qualit. En ville, si un portable met pleine puissance (2W), il

perturbe toutes les cellules aux alentours. LaMSC par le biais de la BTS envoie l'ordre

de baisser ou d'augmenter la puissance d'mission.

Il gre et prend la dcision de l'excution du handover. De plus c'est un commutateur

qui ralise une concentration vers le MSC.

Initialement, les diffrents constructeurs d'infrastructures rseaux n'ont pas eu la mme

approche concernant la BSC. Certains ont conu des BSC de faible capacit estimantprfrable de multiplier leur nombre pour minimiser les distances BTS-MSC et donc

rduire les cots d'exploitation des oprateurs. En effet ces liaisons s'effectuent la plupart
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du temps par le rseau tlphonique classique, les oprateurs sont obligs de louer

l'oprateur national ces capillaires. Ainsi SFR fait transiter ces communications par le

rseau de France Tlcom et doit donc reverser cette entreprise une partie de son chiffred'affaire. D'autres ont une autre approche convenant aux zones urbaines o la forte

densit par unit de surface ncessite des BSC capabls d'couler un trafic plus important.

La couverture de Lyon ncessite 4 BSC d'un cot moyen de 5 000 000 Fr. On en retrouveenviron 500 en France pour la couverture du rseau SFR.

Plusieurs dispositions entre BTS et BSC sont possibles: chane, en toile

Diffrentes configurations de BTS-BSC; on retrouve sur ce schma les interfaces rseaux

dtaills plus loin

Sous-systme rseauBase de donnes

Les bases de donnes sont les lments qui grent les donnes propres aux abonns(caractristiques, facturation des appels, messagerie, scurit). Elles ont une fonction


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clef et sont la partie la plus sensible et donc la mieux protge du rseau.

Le HLRLe HLR ou enregistreur de localisation nominal est la base de donnes qui gre les

abonns d'un oprateur donn. Il mmorise les caractristiques suivantes:

- l'identit internationale de l'abonn utilise par le rseau (IMSI): on peut obtenir cenumro en composant sur le clavier d'un portable *#06#,- le numro d'annuaire de l'abonn (MSISDN ou numro d'appel),

- le profil de l'abonnement (services supplmentaires autoriss, autorisation d'appel

international).

Ces donnes sont saisies par l'oprateur partir de son systme d'administration. Ellesvarient peu dans le temps.

D'autre part, le HLR est une base de donnes de localisation. Il mmorise pour chaque

abonn le numro du VLRo il est enregistr, mme dans le cas o l'abonn se connecte

sur un oprateur tranger (cas des roamers). Cette localisation est effectue partir desinformations mises par le terminal et reue par les BTS travers le rseau.

L'implantation du HLR peut tre centralise ou dcentralise. Dans le premier cas, un

HLR peut grer plusieurs centaines de milliers d'abonns et il constitue une machine

spcifique. Dans le deuxime cas, il peut tre intgr dans les MSC et les donnes d'unabonn sont alors physiquement stockes sur le MSC o l'utilisateur communique

prfrentiellement. Les changes de signalisation sont ainsi minimiss. Dans tous les cas

d'implantation, chaque abonn est associ un HLR unique, de faon indpendante de lalocalisation momentane de cet abonn. Le rseau identifie le HLR partir du numro

d'appel.

Le AuCLe centre d'authentification AuC, Authentication Centre, mmorise pour chaque abonn

une cl secrte utilise pour authentifier les demandes de services et pour chiffrer lescommunications. Un AuC est en gnral associ chaque HLR. L'ensemble peut tre

intgr dans un mme quipement. Cependant, du point de vue fonctionnel, ils ne font

pas partie du mme sous-systme.

Commutateur de services mobiles (MSC-VLR)Le MSC, Mobile Services Switching Centre, est parfois appel centre de commutation

des mobiles ou commutateur du service mobile. Il gre l'tablissement des

communications entre un mobile et un autre MSC, la transmission des messages courts(message (SMS) sous forme de texte) et l'excution d'un handover entre deux BSC

diffrentes. Il dialogue avec le VLR pour grer la mobilit des usagers: vrification descaractristiques des abonns visiteurs lors d'un appel dpart, transfert des informations de

localisation... D'un cot moyen de 30 millions de francs, leur nombre est beaucoup moins

important que les BSC, on en compte une trentaine pour le rseau SFR en France.
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On distingue deux types d'appels au niveau d'un MSC:

- Mobile - mobile: dans ce cas, la MSC tablit une liaison avec une autre MSC.

- Mobile - rseau fixe RTC: Il doit alors possder une fonction passerelle, GMSC(Gateway MSC), qui est active au dbut de chaque appel d'un abonn mobile vers un

abonn fixe. Cette fonction est diffrente de la fonction MSC pure, elle pourrait tre

implante dans les commutateurs du RTC (rseau classique filiaire, en France, celui deFrance Tlcom). En ralit, elle est ralise par les MSC pour minimiser l'impact sur le

RTC. En effet lorsqu'un mobile se dplace et change de MSC, la communication doit elle

aussi changer de MSC. Le rseau fixe n'a pas t conu pour ce genre de tche: dans cecas l'interconnexion continue avec l'ancien MSC qui tablit lui mme une communication

vers la nouvelle MSC dont dpend le mobile.

Le MSC est en gnral coupl avec le VLR (Visitor Location Register), ou enregistreur

de localisation visiteur C'est une base de donnes qui mmorise les informaions auxabonns prsents dans la zone gographique du MSC. Plusieurs MSC peuvent tre relis

au mme VLR, mais en gnral, il y en a un seul par VLR.

Les donnes mmorises par le VLR sont similaires aux donnes du HLR, mais

concernent seulement les abonns mobiles prsents dans la zone considre. Vient serajouter l'identit temporaire TMSI. Le VLR a une information de localisation plus

prcise que le HLR. La sparation matrielle entre VLR et MSC propose par la norme

n'est que rarement respecte. Certains constructeurs intgrent le VLR dans le MSC. Lesdialogues ncessaires pour l'tablissement d'appel sont alors simplifis. D'autres

tablissent un dcoupage diffrent entre MSC et VLR en utilisant l'approche rseau

intelligent (cf. glossaire). Le MSC est alors un commutateur pur sans fonction de

traitement d'appel. Un quipement, le RCP (Radio Control Point), assure les fonctions decommande du MSC et du VLR sans possder de fonction de commutation.

Un ensemble MSC/VLR peut grer plusieurs dizaines de milliers d'abonns pour un

trafic moyen par abonn de 0,025 Erlang. Les MSC sont en gnral des commutateurs de

transit du rseau tlphonique sur lesquels ont t implantes des fonctions spcifiques aurseau GSM. La capacit en est fortement rduite, puisqu'un central tlphonique peut

grer plusieurs centaines de milliers d'abonns. En effet l'tablissement des

communications s'ajoutent les fonctions de rpondeur, de connexion des rseauxnumriques (Internet, messagerie lectronique), de contrle des messages courts SMS

Interfaces rseauLes interfaces sont des protocoles permettant de communiquer entre chaque structure du

rseau GSM. Elles sont un lment essentiel dfinit dans la norme GSM car ce sont ces

interfaces qui dterminent les interconnexions rseaux au niveau international.Voici le tableau prsentant les interfaces dans un systme GSM:


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Nom Localisation Utilisation

Um Terminal - BTS Interface radio (Cf. partie suivante)

Abis BTS - BSC Divers (transfert des communications)

A BSC - MSC Divers (transfert de donnes)

B MSC - VLR Divers (transfert de donnes)

C GMSC - HLR Interrogation HLR pour appel entrant

D (1) VLR - HLR Gestion des informations d'abonns et de localisation

D (2) VLR - HLR Services supplmentaires

E MSC - MSC Excution des "handover"

F MSC - VLR Vrification de l'identit du terminal

G VLR - VLR Gestion des informations d'abonns

H HLR - AuC Echange des donnes d'authentification

L'interface respecter de faon imprative est l'interface D car elle permet un

MSC/VLR de dialoguer avec le HLR de tout autre rseau tranger. Sa conformit permet

l'itinrance internationale. De mme le respect de l'interface A permet aux oprateurs

d'avoir diffrents fournisseurs et de pouvoir changer au fur et mesure du dploiement deleurs rseaux.

En revanche, l'interface B est rarement normalise car comme nous l'avons vu VLR et

HLR sont souvent confondus.

Partage des ressources radio

Un systme radio-mobile a besoin dune partie du spectre radio pour fonctionner. Lesconcepteurs doivent donc demander une bande de frquence auprs de linstance

officielle charge de la gestion du spectre. Pour un systme prtention internationale, la

bande est alloue au niveau de lUIT (Union Internationale des Tlcommunications). La

bande ddie au systme GSM est de 890 915 MHz pour la voie montante et de 935 960 MHz pour la voie descendante soit 225 MHz; les bandes de frquence alloues

son extension DCS sont de 1710 1785 MHz pour la voie montante et de 1805 1880

MHz pour la voie descendante soit 275 MHz.

La bande radio reprsentant une ressource rare, les dfendeurs de la norme doivent

lutiliser bon escient et avec parcimonie. Le premier choix architectural a donc t de

dcouper le spectre allou pour obtenir des canaux physiques qui supporteront unecommunication tlphonique.

Partage en frquence (FDMA)Chacune des bandes ddies au systme GSM est divise en 124 canaux frquentiels

d'une largeur de 200 kHz. Sur une bande de frquence sont mis des signaux moduls

autour dune frquence porteuse qui sige au centre de la bande. Les frquences sont

alloues dune manire fixe aux diffrentes BTS et sont dsignes souvent par le terme de
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"porteuses", de plus, il faut veiller ce que deux BTS voisines nutilisent pas des

porteuses identiques ou proches.

Partage en temps (TDMA)

Principe

Chaque porteuse est divise en intervalles de temps appels slots. La dure lmentairedun slot a t fixe pour la norme GSM sur une horloge 13 MHz et vaut:

Tslot = (75/130)10-3s soit environ 0.5769 ms.

Un slot accueille un lment de signal radiolectrique appel burst.

Laccs TDMA permet diffrents utilisateurs de partager une bande de frquence

donne. Sur une mme porteuse, les slots sont regroups par paquets de 8. La dure dunetrame TDMA est donc:

TTDMA = 8Tslot =4.6152 ms.

Chaque usager utilise un slot par trame TDMA. Les slots sont numrots par un indiceTN qui varie de 0 7. Un canal physique est donc constitu par la rptition

priodique dun slot dans la trame TDMA sur une frquence particulire.

Les concepteurs de GSM ont prvus la possibilit de nallouer un utilisateur quun slottoutes les 2 trames TDMA. Cette allocation constitue un canal physique demi-dbit par

opposition au canal plein dbit dfini prcdemment.

Implantation du saut de frquenceLoption du saut de frquence lent (SFH) semble tre intressante pour augmenter la

capacit du systme GSM. Le saut de frquence permet de lutter contre les

vanouissements slectifs, cest--dire une diminution momentane de la puissance delonde radiolectrique lors de la rception, grce la diversit en frquences.

Habituellement le saut est activ lorsque la charge du rseau devient importante, il doitalors apporter un accroissement notable des performances.

Lorsque le saut de frquence lent est activ, un canal physique ne sige pas sur une

seule frquence mais utilise un ensemble de porteuses.


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DuplexageSparation des bandes

Dans le systme GSM le duplexage se fait en frquence. La bande totale alloue ausystme est divise en deux sous-bandes dgale importance; lintervalle frquentiel qui

les spare nest pas attribu au systme. Ce partage entre les bandes montantes (mobile

vers rseau) et les bandes descendantes (rseau vers mobile) facilite le filtrage et lasparation des voies. Dans GSM lcart duplex vaut DWduplex=45 MHz, et dans le cas de

DCS1800 il vaut DWduplex=95 MHz.

Canal physique duplexUn canal simplex se rapporte un slot par trame TDMA sur une porteuse (en labsence

de saut de frquence). Un canal physique duplex correspond deux canaux simplex. Si la

porteuse supportant la voie descendante est fd , la voie montante est sur la frquence fu:

fu = fd - DWduplexUn canal physique correspond la ressource radio quil faut utiliser pour supporter une

communication tlphonique.

Dans le systme GSM un mobile met et reoit des instants diffrents. Au niveau du

mobile, lmission et la rception sont dcales dans le temps dune dure de trois slots,

mais pour conserver la mme numrotation Tn de 0 7 de slots, la synchronisation de la

trame TDMA montante est aussi dcale de 3Tslot. Ce dcalage permet de simplifier le


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filtre duplex prsent dans chaque mobile. Son rle se rduit rejeter le signal provenant

dune ventuelle autre BTS mettant pendant une phase de rception du mobile.

Format du burst

Le format dun burst normal est donn par cette figure , cest le type le plus courammentutilis, il permet de transmettre 114 bits. On remarque quil y a une priode de garde de

30.5 s correspondant la diffrence de dure entre un burst et un slot, ce dlai sert

compenser les temps de transmission entre le mobile et la station de base.

Chane de transmissionCas de la parole


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La chane de transmission qui correspond la transmission du signal de la parole est

dcrite par la figure suivante:


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Daprs la thorie des tlcommunications, la transmission dune source dinformation

sur un canal doit mettre en uvre un codage de source (compressif) et un codage de canal

(protecteur) efficaces. Les techniques cryptographiques permettent dassurer un servicede confidentialit sur un canal de transmission diffusant o des coutes indiscrtes

peuvent tre entreprises.

Transmission de la parole paqutiseOn peut prsenter dune faon synoptique les diffrents traitements que subit une trame

de 20 ms de parole :

Le signal analogique de parole, dans le cas du signal tlphonique ordinaire, peut tre vu

comme une fonction du temps x (t) avec un spectre limit la bande [300 Hz , 3400 Hz].

Il est dcoup en intervalles jointifs de dure 20 ms. Chaque intervalle est numris,

comprim (par le codec de parole), protg pour aboutir une trame code, appele bloc,de 456 bits. Le codage seffectue paquet par paquet et cette paquetisation introduit un

dlai de 20 ms. En effet pour traiter un morceau de 20 ms il faut lavoir reucompltement.

Une fois obtenu le bloc de parole numris, comprim et protg, il faut le transmettre.

Pour cela on a recours lentrelacement. On peut prendre lexemple des 456 bits de latrame code de la parole : ces bits sont brasss et diviss en I groupes o I reprsente le


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degr dentrelacement. Ici, I vaut 8 on va donc transmettre les 456 bits en 578 bits. Ces

huit demi-burst sont numrots de 0 7. Chaque sous-bloc est associ avec un sous-bloc

de la trame de parole prcdente (pour les sous-blocs 0, 1, 2 et 3) ou de la trame suivante(pour les sous-blocs 4, 5, 6 et 7).

Canaux logiquesLinterface radio est le maillon faible de la chane transmission. Il faut prvoir un

certain nombre de fonctions de contrle de nature varie pour que le mobile se rattache

une station de base favorable, pour tablir une communication, pour surveiller son

droulement et assurer des commutations de cellules en cours de communication. Ces

autres fonctions engendrent des transferts de donnes: informations systme, relevs demesures, messages de contrles. Plusieurs canaux logiques ont t dfinis pour les

diffrents types de fonction.

Linterface radio permet doffrir un certain nombre de tuyaux numriques:

Les canaux de contrle logiquesSur une paire de frquence, un slot parmi 8 est allou une communication avec un

mobile donn. Cette paire de slots forme un canal physique duplex. Ce dernier forme la

base de deux canaux logiques ; dabord le TCH (Trafic CHannel) qui porte la voie

numrise, mais aussi un petit canal de contrle, le SACCH ( Slow Associated Control

Channel) qui permet principalement le contrle des paramtres physiques de la liaison.


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Dune manire plus gnrale, il faut prvoir une multitude de fonctions de contrle, en

particulier :

diffuser des informations systme (cf. Broadcoast Control CHannels) prvenir les mobiles des appels rentrant et faciliter leur accs au systme (cf.

Common Control Channel) contrler les paramtres physiques avant et pendant les phases actives de

transmission (cf. FACCH, SCH et SACCH) fournir des supports pour la transmission de signalisation tlphonique (cf.

SDCCH).

Classification et caractristiques

TYPE NOM FONCTION DEBIT

Broadcoast CHannel :

BCH

( )

Frequency Correction

CHannel : FCCH

Calage sur frquence

porteuse

148 bits toutes les 50

ms

Synchronisation

CHannel : SCH

Synchronisation (en

temps) +Identification

148 bits toutes les 50

ms

Broadcoast Control

CHannel : BCCH Information systme 782 bit/s

Common ControlChannel :

CCCH

()( )

Paging CHannel :

PCH Appel du mobile

456 bits parcommunication

Random AccessCHannel : RACH

Accs alatoire du

mobile

pour effectuer uneopration sur le rseau

36 bits par messages

Access Grant

CHannel : AGCH

Allocation deressources

456 bits par messagedallocation

Cell Broadcoast

CHannel : CBCH

Messages courts

(SMS) diffuss(informations

routires, mto)

Dbit variable

Dedicated Control

Channel

Stand-Alone

Dedicated Control

CHannel : SDCCH

Signalisation 782 bit/s

Slow AssociatedControl CHannel :

Supervision de laligne

382bit/s pour de laparole


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SACCH 391 bit/s pour la

signalisation

Fast Associated

Contol CHannel :

FACCH

Excution duhandover

9.2 kbit/s ou 4.6 kbit/s

Trafic CHannel

TCH

Trafic CHannel for

coded speech :

TCH

Voix plein/demi dbit

13 kbit/s (plein dbit)

5.6 kbit/s (demi-dbit)

Trafic CHannel for

data Donnes utilisateur

9.6kbit/s, 4.8 kbit/s

ou 2.4 kbit/s

Scurit

Gestion de la scurit du rseau et des appels:

Lintroduction de la mobilit dans les rseaux GSM a ncessit la cration de nouvellesfonctions par rapport aux rseaux fixes classiques. Le systme doit pouvoir connatre

tout moment la localisation dun abonn de faon plus ou moins prcise. En effet, dans

un rseau fixe, un numro correspond une adresse physique fixe (une prise detlphone), alors que pour le rseau GSM, le numro dun terminal mobile est une

adresse logique constante laquelle il faut associer une adresse physique qui varie au gr

des dplacements de lusager du terminal. La gestion de cette itinrance ncessite la miseen uvre dune identification spcifique de l'utilisateur.

De plus, l'emploi dun canal radio rend les communications vulnrables aux coutes et

aux utilisations frauduleusesLe systme GSM a donc recours aux procds suivants :

- authentification de chaque abonn avant de lui autoriser laccs un service,- utilisation dune identit temporaire,

- chiffrement (ou cryptage) des communications.

Numrotation lie la mobilit

Le systme GSM utilise quatre types dadressage lis labonn :


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- LIMSI (identit invariante de labonn) nest connu qu lintrieur du rseau GSM ;

cette identit doit rester secrte autant que possible, aussi, GSM a recours au TMSI,

- Le TMSI est une identit temporaire utilise pour identifier le mobile lors desinteractions Station Mobile / Rseau.

A lintrieur dune zone gre par un VLR, un abonn dispose dune identittemporaire. Le TMSI, cod sur 4 octets, est attribu au mobile de faon locale, cest--

dire uniquement pour la zone gre par le VLR courant du mobile. Le TMSI est utilis

pour identifier le mobile appel ou appelant lors de ltablissement dune communication.

- Le MSISDN est le numro de labonn ; cest le seul identifiant de labonn mobile

connu lextrieur du rseau GSM,

- Le MSRN est un numro attribu lors de ltablissement dun appel. Sa principalefonction est de permettre lacheminement des appels par les commutateurs (MSC et

GMSC).

Exemple de mise en uvre des diffrentes identits dabonn dans GSM lors dun appelentrant:

Authentification et chiffrementA cause de lutilisation du canal radiolectrique pour transporter les informations, les

abonns sont particulirement vulnrables :

- la possibilit dutilisation frauduleuse de leur compte par des personnes disposant demobiles "pirates", qui se prsentent avec lidentit dabonns autoriss,


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- la possibilit de voir leurs communications coutes lors du transit des informations

sur le canal radio.

Le systme GSM intgre donc des fonctions de scurit visant protger la fois lesabonns et les oprateurs :

- confidentialit de lIMSI,

- authentification dun abonn pour protger laccs aux services,- confidentialit des donnes usager,

- confidentialit des informations de signalisation.

Confidentialit de lidentit de labonnIl sagit dviter linterception de lIMSI lors de son transfert sur la voie radio par des

entits non autorises. Ainsi, il devient difficile de suivre un abonn mobile en

interceptant les messages de signalisations changs.

Le meilleur moyen dviter linterception de lIMSI est de la transmettre le plus

rarement possible. Cest pourquoi le systme GSM a recours au TMSI et cest le rseau

qui gre des bases de donnes et tablit la correspondance entre IMSI et TMSI. Engnral, lIMSI est transmise lors de la mise sous tension du mobile et ensuite les TMSIs

successives du mobile seront transmises. Ce nest quen cas de perte du TMSI ou lorsque

le VLR courant ne la reconnat pas (par exemple aprs une panne) que lIMSI peut tretransmise.

Lallocation dune nouvelle TMSI est faite au minimum chaque changement de VLR,et suivant le choix de loprateur, chaque intervention du mobile. Son envoi la station

mobile a lieu en mode chiffr.

Principes gnraux dauthentification et de chiffrement

Pour mettre en uvre les fonctions dauthentification et de chiffrement des informationstransmises sur la voie radio, GSM utilise les lments suivants :- des nombres alatoires RAND,

- une cl Ki pour lauthentification et la dtermination de la cl Kc,

- un algorithme A3 fournissant un nombre SRES partir des arguments dentre RANDet de la cl Ki,

- un algorithme A8 pour la dtermination de la cl Kc partir des arguments dentre

RAND et Ki,- un algorithme A5 pour le chiffrement / dchiffrement des donnes partir de la cl Kc.

A chaque abonn est attribu une cl Ki propre. Les algorithmes A3, A5 et A8 sont

quant eux les mmes pour tous les abonns dun mme rseau.

Lutilisation de ces diffrents lments pour la mise en uvre des fonctions de scuritpeut tre schmatise par la figure suivante:


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Authentification de lidentit de labonnLauthentification de lidentit de labonn peut tre exige du mobile par le rseau

chaque mise jour de localisation, chaque tablissement dappel et avant dactiver ou

de dsactiver certains services supplmentaires. Dans le cas o la procduredauthentification de labonn chouerait, laccs au rseau est refus au mobile.

Le droulement global de la procdure est le suivant :

- le rseau transmet un nombre alatoire RAND au mobile ;- la carte SIM du mobile calcule la signature de RAND grce lalgorithme A3 et la cl

Ki. Le rsultat calcul, not SRES, est envoy par le mobile au rseau ;

- le rseau compare SRES au rsultat calcul de son cot. Si les deux rsultats sontidentiques, labonn est identifi.Ce droulement peut tre schmatis par la figure suivante :


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Activation du chiffrement

Lalgorithme A5 est implant dans la BTS. Lactivation se fait sur demande du MSCmais le dialogue est gr par la BTS. On peut noter que ce chiffrement ne peut tre activds les premiers messages mais se fait aprs une procdure dauthentification puisquil

ncessite la connaissance de la cl Kc par le mobile.

Gestion des donnes de scurit au sein du rseauGestion de la cl dauthentification Ki

La cl Ki est attribue lusager, lors de labonnement, avec lIMSI. Elle est stocke

dans la carte SIM de labonn et dans lAUC au niveau du rseau. Afin de limiter les

possibilits de lecture de la cl Ki, celle-ci nest jamais transmise travers le rseau, nisur linterface radio, ni entre les quipements fixes.

Entits du rseau o sont enregistres les donnes de scurit

Le centre dauthentification AUC stocke lalgorithme dauthentification A3,

lalgorithme de gnration de la cl de chiffrement A8 et les cls Ki des diffrents

abonns du rseau GSM.Le HLR peut stocker plusieurs triplets (Kc, RAND, SRES) pour chaque IMSI.

Dans le VLR plusieurs triplets (Kc, RAND, SRES) sont enregistrs pour chaque IMSI.

Les couples TMSI (ou IMSI) et la cl de chiffrement Kc le sont aussi.


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La BTS peut stocker lalgorithme de chiffrement A5 pour les donnes usager et pour les

donnes de signalisation.

La station mobile contient dans la carte SIM de labonn : lalgorithme

dauthentification A3, lalgorithme de chiffrement A5, lalgorithme de gnration des

cls de chiffrements A8, la cl dauthentification individuelle de lutilisateur Ki, la cl dechiffrement Kc, le numro de squence de la cl de chiffrement et le TMSI.

Autres mcanismes

Les mcanismes de scurit mis en

uvre dans GSM permettent dobtenir

des niveaux de protection trs levs

pour le systme et pour les abonns. Eneffet il faudrait par exemple plusieurs

milliards de couples (RAND, SRES)

afin de dterminer lalgorithme A3.

Mais aucun systme de scurit n'est

fiable 100%. On a donc recours dessystmes de scurit internes propres

aux terminaux mobiles. Loprateur du

rseau GSM peut vrifier lidentit

IMEI dun terminal. Si celle-ci nest pas

reconnue par le rseau ou si elle fait

partie dune liste de terminaux drobsou pirates, laccs du mobile au rseau

est alors refus. Le rseau peut aussi

mmoriser lidentit IMSI de labonn


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utilisant le terminal douteux.

Il est intressant de noter que la carteSIM contient galement des codes

personnalisables par lusager et utiliss

pour identifier labonn, tel le code

PIN, Personnal Identity Number,

demand lutilisateur chaque mise

sous tension du terminal. La carte peutaussi contenir dautres codes selon la

volont de lutilisateur, afin dinterdire

laccs certains services.

Conclusion

Le rseau GSM est considr par les spcialistes comme une rvolution dans ledomaine des tlcommunications. Cette deuxime rvolution, aprs celle du rseau

analogique Radiocom 2000, a su se faire apprcier du grand public en proposant une

bonne qualit de service un tarif accessible. Actuellement l'extension de la norme dansla bande spectrale des 1800 MHz qui se surajoute la bande des 900 MHz laisse encore

prsager de beaux jours ce systme. Pourtant on parle dj de rseaux de 3me

gnration.

Ce rseau de 3me gnration pourrait concilier les avantages de deux nouvelles

techniques:

les nano-cellules couvrant la superficie d'un immeuble et bien entendu localisesdans des zones trs fortement peuples,

la couverture satellite en basse orbite pour les zones trs faiblement peuples ou

dsertiques.

On peut par exemple citer le projet Iridium financ par un consortium dirig parMotorola qui projette de mettre environ 70 satellites en orbite pour assurer une

couverture de tlphonie portative au niveau mondial. La tlphonie mobile sera alors


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rellement devenue universelle, au point que certains pensent dj que les jours du

tlphone fixe sont compts

Iinfrastrucure du réseau cellulaire GSM

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