Réseaux Mobiles Support Mooc Complet

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Introduction aux rseaux mobiles

Mooc

Supports de cours

Anne 2014

Xavier Lagrange, Alexander Pelov, Gwendal Simon

Table des matires

Semaine 1 : Architecture, service et rgulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Semaine 2 : Le rseau tlphonique et ses volutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Semaine 2 : Scurit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Semaine 3 : Gestion de la mobilit et des appels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Semaine 3b : Intgration des rseaux orients paquets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Semaines 4 et 5 : le concept cellulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Semaine 6 : Interface radio, multiplexage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Semaine 7 : Transmission sur l'Interface radio et canaux logiques . . . . . . . . . . . . . 87

Semaine 8 : Interface radio, mcanismes d'accs et handover . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Glossaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

1 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014

1. Architecture (semaine 1)

1.1. Station de base et antennes On voit les antennes des stations de base mais lantenne nest pas tout !


1.2. Notion de cellule Le territoire est divis en "cellules", desservies chacune par une station de base,

l'ensemble de ces cellules formant un seul rseau (sans que cette division soit perceptible ni un usager du rseau fixe, ni un usager mobile)

Les mmes canaux de frquence sont rutiliss dans plusieurs cellules selon la capacit du systme rsister aux interfrences (voir cours 2)

En zone rurale (faible densit dutilisateurs), les stations de base sont dployes pour assurer une couverture : si possible, en tout point du territoire, un terminal est sous la porte dune station de base et peut latteindre

En zone urbaine (forte densit dutilisateurs), les stations de base sont dployes pour couler le trafic : la densit des stations de base est impose par la charge couler

3

Semaine 1 : Architecture, service et rgulation



1.3. Voie balise ou beacon channel Couverture n'est pas parfaite (zones non couvertes) Comment indiquer l'utilisateur que le service est disponible ?

Rponse : en imposant chaque station de base de transmettre rgulirement un signal de rfrence et des informations systmes comme l'identit de l'oprateur, une rfrence de la cellule, les rgles d'accs la cellule (elle peut tre en maintenance et seulement accessible des fins de test).

Un terminal lit les informations systmes et peut dterminer s'il est bien l'coute du bon rseau. Il mesure la puissance reue et peut dterminer si la liaison avec le rseau est correcte.

Notion de Voie Balise ou Beacon Channel

4


1.4. Commutateur MSC et base de donnes de localisation HLR Plusieurs stations de base sont relis un commutateur appel MSC, Mobile-services

Switching Center Un MSC permet ltablissement, le maintien et la fin des communications des terminaux

dans une zone gographique donne A lorigine, cest un commutateur tlphonique enrichi de fonctions de gestion de la

mobilit

Le rseau comporte une base de donnes appel HLR, Home Location Register, qui contient pour chaque abonn son profil (identit, services souscrits, restrictions,) sa localisation (trs imprcise)


5


1.5. Principe du VLR

Gestion de la mobilit, une volution de la tlphonie traditionnelle Conservation (au dpart) de larchitecture et des protocoles de la tlphonie

traditionnelle

Dveloppement dun nouveau protocole pour grer la mobilit MAP, Mobile Application Part


Gestion de la mobilit, une volution de la tlphonie traditionnel

le VLR (Visitor Location Register) contient la liste des abonns grs par le VLR le profil de chaque abonn gr par le VLR (identit, services souscrits,

restrictions,) une information de localisation en gnrale plus prcise de labonn que le HLR

VLR = image d'une partie du HLR (principe de la mmoire cache)

6


1.6. BTS et BSC Initialement, des liaisons points--points entre les stations de base et les MSC/VLR

Cot dune liaison = proportionnelle la distance mais faiblement dpendante du dbit (cot dinfrastructure)

Intgration dun quipement intermdiaire dans GSM : BSC, Base Station Controller

Double rle du BSC concentration du trafic contrle de la station de base

BTS, Base Transceiver Station couvre un territoire restreint (i.e. une cellule), de quelques centaines de mtres

quelques dizaines de kilomtres ( lavenir, quelques dizaines de mtres) gre la transmission et la rception du signal avec les terminaux

BSC, Base Station Controller contient les algorithmes dallocation de la ressource radio et gre les messages

associs (exemple, allocation dune frquence et dun intervalle de temps)


Station de base

1) couvre un territoire restreint (i.e. une cellule), de quelques centaines de mtres quelques dizaines de kilomtres ( lavenir, quelques dizaines de mtres)

2) gre la transmission et la rception du signal suivant des formats et un protocole spcifique chaque gnration (2G, 3G, 4G)

3) contient les algorithmes dallocation de la ressource radio et gre les messages associs (exemple, allocation dune frquence et dun intervalle de temps)

En 4G(LTE), fonctions 1, 2 et 3 sont dans le mme quipement appel eNodeB En 2G et 3G, la fonction 3 est prise en charge par un quipement spcifique

7



1.7. Notion de zone de localisation Un abonn peut se trouver dans nimporte quel cellule du rseau et il faut pouvoir

lappeler.

Deux principes de bases lmentaires et opposs pour appeler un abonn mobile mettre les appels sur toutes les cellules du systme = paging connatre tout moment la localisation du mobile grce une procdure de mise

jour de localisation (location updating procedure) => possible grce la voie balise

8


dplacement du mobilemessage de signalisation

Paging Paging Paging

Inscription

Inscription

zone de localisation

`

Zone de localisation

Une Zone de localisation (location area) est un ensemble de cellules l'intrieur duquel un mobile peut se dplacer sans se signaler au rseau. Lorsque le mobile entre dans une nouvelle zone de localisation, il le signale au rseau.


1.8. Architecture traditionnelle de GSM

BTS : Base Transceiver Station

BSC : Base Station Controller

MSC : Mobile-services Switching Centre

VLR : Visitor Location Register

HLR : Home Location Register

AuC : Authentication Center

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2. Historique et rgulation 2.1. Services et diffrentes gnrations Gn-

ration

Services principaux Nom de la technologie en Europe

Type daccs sur la voie radio

Priode de vie

1 Tlphonie R2000, NMT,.. Analogique FDMA 1980-1995

2 Tlphonie, SMS GSM TDMA 1995-

2.5 Tlphonie, SMS Accs IP 100 kbit/s

extension GPRS-EDGE

+ accs paquet et nouvelle modulation

2000-

3 Tlphonie, SMS Accs IP 1 Mbit/s

UMTS CDMA 2002-

3.9 Tlphonie, SMS Accs IP 10 Mbit/s

extension HSDPA

CDMA + accs paquet et nouvelle modulation

2008-

4 Accs IP 100 Mbit/s avec faible latence

LTE, LTE-advanced

OFDMA 2010-


2.2. Services et bande de frquences Sur un plan thorique, quasi-indpendance entre la technologie et la gamme de

frquence utilise

En de de 3 GHz, - peu dinfluence de leau et de loxygne - si on multiplie la frquence par 2, on divise la puissance reue par 4 (toutes choses

gales par ailleurs) Frquences en de de 800 MHz utilises par les services professionnels (pompiers,

police,), la radio, la tlvision Bandes affectes en France pour les rseaux radiomobiles

790-862 MHz 790-820 MHz et 832-862 (2*30 MHz) 880-915 MHz 925-960 MHz (2*35 MHz) 1710-1785 MHz et 1805-1880 MHz (2*85 MHz) 1900-1905 MHz et 1910-1920 MHz (15 MHz) 1920-1980 MHz et 2110 2170 MHz (2* 60 MHz) 2500-2570 MHz et 2620-2690 MHz (2*70 MHz)

Voir http://www.arcep.fr/fileadmin/reprise/dossiers/mobile/attributions-frequences-operateurs-metropole-260410.pdf

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4. Le rseau tlphonique et ses volutions (S2) 4.1. Prsentation de la signalisation smaphore n7

Les rseaux tlphoniques classiques sont constitus - de commutateurs tlphoniques - de bases de donnes

Le principe de la signalisation smaphore consiste faire transiter de faon spare - les communications - la signalisation

Le systme de signalisation utilis est appel : - SS7, signalisation smaphore n7 ou signalling sy stem number 7

Lchange de signalisation entre commutateurs, bases de donnes se fait sur une rseau commutation de messages spcialis

Il y a diffrents protocoles applicatifs - ISUP, ISDN User Part => traitement de lappel tlphonique - MAP, Mobile Application Part => protocole spcifique GSM pour la gestion de la

mobilit


Architecture

Chaque oprateur a son rseau de signalisation interne

Les rseaux de signalisation sont connects entre eux au niveau national

Les rseaux de signalisation sont connects un rseau de signalisation international

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Semaine 2 : Le rseau tlphonique et ses volutions


Couches protocolaires de la Signalisation smaphore n7 Une pile de protocole spcifique est utilise pour permettre lchange de message

- MTP, Message Transfer Part - MTP contient 3 couches : MTP1 (physique), MTP2 (liaison) et MTP3 (rseaux) - principe gnral de la commutation de paquet : stockage et retransmission de

message par des commutateurs de signalisation

La signalisation smaphore est utilise pour - le dialogue entre commutateurs pour ltablissement dappels tlphoniques (ISUP

au dessus de MTP) - le dialogue entre des commutateurs, des bases de donnes

Pour permettre le dialogue entre quipements de rseaux diffrents (par exemple un commutateur dun rseau A et une base de donnes dun rseau B), il faut rajouter une couche de protocole grant linterconnexion - SCCP, Signalling Connection Control Part

Pour faciliter la gestion de dialogues simultans, une couche protocolaire spcifique a t dfinie


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Etablissement dun appel tlphonique fixe Rseau tlphonique traditionnel : rseau commutation de circuit

1 circuit = 1 voie 64 kbit/s (64 kbit/s dans chaque sens de transmission) Rseau de signalisation ddi : signalisation smaphore n7

Protocole dtablissement (et de terminaison) dun appel tlphonique ISUP = ISDN User Part (ISDN, Integrated Service Digital Network) ISUP sert rserver des circuits pour une communication (et relcher la fin dune

communication)


4.2. Architecture NGN

La voix nest plus transporte en mode circuit sur des liaisons MIC (1 octet toutes les 125 s) mais dans des paquets IP (1 paquet toutes les 20 ms) - Si absence de parole, absence de paquet transporter => meilleure efficacit - Mise en place de passerelles qui transportent les paquets IP de voix : MGW,

Media Gateway

Sparation du contrle des communications et du transport de la voix - Mise en place de MSS, MSC Server (pour GSM) - Conservation du protocole ISUP pour garantir la compatibilit

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Avantage de larchitecture NGN

Pour une communication de 10 minutes - 106050 = 30 000 paquets de parole (hypothse dun paquet toutes les 20 ms) - 3 messages pour tablir la communication et 2 messages pour la librer

Il est possible de mettre beaucoup moins de serveurs que de passerelle


Architecture NGN pour GSM

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4.3. Architecture en couches pour laccs GSM Architecture de protocoles pour laccs dun tlphone numrique

Pile de protocoles dfinie pour laccs dun tlphone numrique au rseau tlphonique

Volont de rutilisation pour minimiser les cots de dveloppement MAIS le terminal GSM est radio, mobile ; la liaison terminal-rseau peut facilement

tre coute => des procdures spcifiques doivent tre ajoutes


Architecture de protocoles dans le rseau daccs GSM

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Fonctions des diffrentes couches Connection Management (CM) : tablissement, maintenance et raccroch des

communications (CC, Call Control), services supplmentaires, Mobility Management (MM) : procdure de mise jour de localisation,

authentification, etc.

Radio Resource management (RR) : allocation de la ressource radio, gestion du handover

Liaison de donnes entre terminal et BTS : spcifique GSM

Couche physique entre terminal et BTS : spcifique GSM

Par rapport au modle OSI, les couches CM, MM et RR ne rajoute pas den-tte (MM transporte les messages CM de faon transparente)

Choix dutiliser la signalisation smaphore sur linterface entre le BSC et le MSC MTP, Message Transfer Part SCCP, Signalling Connection Control Part (en mode connect)

BSSAP : Base Station Subsystem Application Part : protocole permettant un MSC denvoyer des commandes au BSC et facilitant la retransmission automatique des messages par le BSC vers le terminal (via la BTS)


La BTS agit en tant que relais pour tous les messages RR, MM, CM (pas dinterprtation des messages)

Le BSC cre et interprte les messages RR Le protocole RR est troitement li la technologie radio (messages diffrents si

2G ou 3G) On parle dAS, Access Stratum (ensemble des protocoles lis lorganisation du

rseau daccs (BTS, BSC) et la technologie radio)

Le BSC agit en tant que relais pour tous les messages MM, CM (pas dinterprtation des messages) Les protocoles CM et MM ne sont pas lis la technologie radio Ce sont les mmes en 2G et 3G (en 4G, diffrences dues au passage au tout IP) On parle de NAS, Access Stratum (ensemble des protocoles lis lorganisation

du rseau daccs (BTS, BSC) et la technologie radio)

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Porte du cours et dmarche pdagogique

Le dtail des interfaces entre BTS, BSC et MSC nest pas trait

Premire partie du cours : tude de CM, MM en admettant que BTS et BSC relaye

Troisime partie du cours : tude de la couche physique, liaison de donnes et certains aspects de RR

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Fonctions de scurit

Semaine 2

BTS MSC/VLR AuC (HLR)MS

SS7SS7BSC

Mcanismes standards

(e.g. VPN IPSec, MPLS, etc.)

3GPP

Fonctions de scurit :

Authentification du terminal par le rseau

Eviter un accs frauduleux au rseau

Chiffrement des donnes et de la signalisation

Garantir la confidentialit des donnes transmises

Allocation dynamique d'une identit temporaire transmise en mode chiffr

Garantir confidentialit de l'identit de l'utilisateur

Scurit

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Semaine 2 : Scurit

Authentification du mobile

dfi

rponseMS

Rseau

cellulaire

Rseau

cellulaire

Dfi-Rponse

MS

Rseau

cellulaire

Rseau

cellulaire

identit IMSI

RAND

SRES

RAND=RANDom (Valeur alatoire)

SRES=Signed RESponse (Rponse sign)

AuC = Authentication Center (Centre dauthentification)


SS7SS7BSC


SS7SS7BSC

KiKi

IMSI

RAND

SRESCalculer XRES=A3(RAND, Ki)Calculer SRES=A3(RAND, Ki)

SRES = XRES ?

A3 algorithme sens unique (difficilement rversible)

Ki = 128 bits, RAND = 128 bits, SRES = 32 bits

Pour trouver Ki il faut plusieurs milliers de pairs RAND, SRES

Avec un couple (RAND, SRES) nimporte quel quipement du rseau

peut identifier un abonn

SIM

Tous les messages

passent en clair !

Tous les messages

passent en clair !

Secret partag !

20


SS7SS7BSC

Chiffrement des changes cl de session

SIM

Il faut chiffrer chaque trame !

Impossible dinterroger lAuC pour chaque trame (chiffrement+dchiffrement)

Le secret partag ne doit jamais quitter lAuC (et la carte SIM)

Solution gnration dune clef de session KC pour le chiffrement (64 bits)

IMSI

RAND

SRES

IMSI

RAND, XRES, KC

KC

Chiffr avec KC

(triplet de scurit)

XRES=A3(RAND, Ki)

KC=A8(RAND, Ki)

SRES=A3(RAND, Ki)

KC=A8(RAND, Ki)

Chiffrement des changes principe

Donnes en clair transmettre

MS BTS

Trame N+1Trame N+1 Trame NTrame N

Squence de cl

Cl NCl N Cl N+1Cl N+1

= OU exclusif

Longueur L Trame NTrame N

Donnes

chiffres

Longueur L

A B

B A

0 1

0 0 1

1 1 0

Secret partag

21


MS BTS

= OU exclusif

Cl NCl N

Squence de cl

Trame NTrame N

Donnes reues

en clair

Longueur L

Trame NTrame N

Donnes

chiffres

Longueur L

A B

B A

0 1

0 0 1

1 1 0

Secret partag

Cl NCl N Cl N+1Cl N+1


A5

Squence de cl

KC Compteur =Numro de la trame

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Donnes A5(KC, FN)

Donnes A5(KC, 7)

Donnes A5(KC, 6)

Donnes A5(KC, 5)

Chiffrement des changes algorithme

KCKC

4,615 ms

Cl KC identique pendant toute la communication

Cl renouvele chaque nouvelle communication

Squence de chiffrement varie chaque trame TDMA

Compteur FN (Frame Number) : 0 2 715 647

Incrment chaque nouvelle trame

Priode : 2 715 647 * 4,1615 ms soit 3h 30 mn

Authentification + change de cls

Algorithme A5 dans le terminal et

dans la BTS

Mme famille dalgorithmes dans

tous les terminaux et les rseaux

Algorithme A5/1 : traditionnel

Algorithme A5/2 : moins protg

Algorithme A5/3 : plus rsistant


SS7SS7BSC

Identit temporaire - TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)

Sur 4 octets (contre 8 pour lIMSI)

Porte locale (VLR)

Prserve la confidentialit de

labonn

Utilis dans les messages de

paging

Pour les demandes

dauthentification la place de

lIMSI

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Scurit 3G/LTE

Fonctions de scurit ajouts pour la 3G/LTE

Authentification du rseau par le terminal

Vrification dintgrit

GSM UMTS LTE

Authentification du terminal

Authentification du rseau

Chiffrement de la signalisation, des donnes

Vrification dintgrit des messages de signalisation

Confidentialit de lidentit * * *

* sauf cas particulier

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5. Gestion de la mobilit (S3)

5.1. Prsentation gnrale On considre un terminal qui est allum mais qui nest jamais utilis pour un service :

tat de veille

Procdures de gestion de la mobilit = Mobility Management (MM) Mise jour de localisation = Location updating procedure

Mise jour de localisation la premire mise sous tension du terminal La mise jour de localisation se fait lorsque le mobile change de zone de localisation Possibilit de mise jour priodique Possibilit de dtachement au rseau lors de la mise hors tension

Mise jour du HLR : VLR o se trouve labonn Mise jour du VLR : profil de labonn et zone de localisation


5.2. Premire mise sous tension Le mobile doit se signaler au rseau pour tre pris en compte

Procdure appele : IMSI attach ou attachement au rseau

Le mobile ne dispose pas de TMSI, il utilise lIMSI

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Semaine 3 : Gestion de la mobilit et des appels


Le rseau doit authentifier le mobile : le VLR demande des triplets de scurit au HLR

La mise jour de localisation consiste faire deux oprations imbriques : - informer le HLR que le mobile se trouve dans un VLR donn - transfrer le profil de labonn du HLR vers le VLR

Allocation dun TMSI en fin de procdure


26



5.3. Dplacement du mobile dans un rseau

Changement de zone de localisation sans changer le VLR Le mobile se trouvait dans une cellule dpendant dune ancienne zone de localisation et

passe dans une cellule faisant partie dune nouvelle zone

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pour ne pas dvoiler son identit complte, le mobile fait une mise jour de localisation en envoyant le TMSI

Allocation possible dun TMSI en fin de procdure


Changement de VLR (1/3) Le mobile se trouvait dans une cellule dpendant du VLR1 et passe dans une cellule

dpendant dun nouveau VLR (VLR2).

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Le TMSI tait allou par lancien VLR. Seul le VLR1 peut identifier le mobile (i.e. retrouver lIMSI)

Pour que le nouveau VLR connaisse lancien VLR, le mobile indique lancienne zone de localisation o il se trouvait (LAI1 pour Location Area Identity)

Lidentit de la zone de localisation est unique au monde (elle contient le code pays, le code oprateur)

LAI+TMSI constitue une identit unique au monde dun terminal mais elle est anonymise

Principe rutilis en GSM, UMTS, LTE (avec quelques diffrences ) En LTE, on parle de GUTI, Globally Unique Temporary Identity


Changement de VLR (2/3), rcupration de lidentit Au niveau de chaque VLR, est stocke une table de correspondance

- zone de localisation identit du VLR

Le nouveau VLR demande lancien VLR lidentit IMSI du terminal

Le profil de labonn est systmatiquement transfr depuis le HLR (pour viter la propagation derreurs dans le profil)

Pour une bonne gestion de la mmoire des VLR, il faut effacer le profil dans lancien VLR.

Allocation quasi systmatique dun TMSI en fin de procdure

29



30


5.4. Changement de rseau (quasiment) tous les MSC/VLR et HLR sont interconnects au niveau internationale

(rseau SS7 international en GSM classique ou rseau IP) Le mobile va dans un pays tranger

Rseau visit : VPLMN pour Visited PLMN Rseau nominal : HPLMN pour Home PLMN

Le mobile fait une mise jour de localisation de faon habituelle


En gnral, - le rseau ne peut pas dterminer lancien VLR partir de lidentit de lancienne zone

de localisation - le mobile indique explicitement son IMSI

Aucune diffrence fondamentale entre mobilit au sein dun rseau et changement de rseau

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5.5. Dtachement du rseau Procdure de dtachement avant la vraie mise hors tension

Connaissance par HLR de ltat du mobile Connexion bote vocale en cas dappel du terminal

Mise jour de localisation systmatique en cas de remise sous tension du terminal (avec TMSI)


Bilan sur la gestion de la mobilit le HLR contient lidentit dun abonn, son profil et sa localisation grossire

quel que soit ses dplacements, le HLR dun abonn ne change pas

le terminal effectue une mise jour de localisation chaque changement de zone de localisation (groupe de cellules)

la mise jour de localisation provoque lactualisation des bases de donnes VLR et, si ncessaire, HLR

lutilisation quasi-systmatique du TMSI oblige former une identit unique compos partir de la localisation de labonn.

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6. Etablissement dappels (S3) 6.1. Droulement dun appel fixe


6.2. Appel Sortant

33


6.3. Appel entrant (fixe vers mobile)

MS BSS MSC/VLR

HLR

GMSC CAA

2

1

34

7MSISDN

IMSI

MSR

N

MSISDN

MSRN

5

6MSRNTMSI

Principe simplifi de l'appel arriv (ou entrant) Pour tablir un appel tlphonique (protocole ISUP), il faut un numro de tlphone dont

les premiers chiffres donnent la localisation du demand

A chaque MSC/VLR est affect une plage de numros de roaming ou MSRN, Mobile Station Roaming Number, utilis pendant les quelques secondes de lappel vers un mobile


34



Fin de communication

BSS MSC/VLR PHONEMS

REL (CIC)

DISCONNECT

RELEASE

RLC (CIC)

RELEASE COMPLETE

CAA ou MSC

Raccroch par l'abonn mobile

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BSS MSC/VLR PHONEMS

REL (Release)

DISCONNECT

RELEASE

RLC (Release comp)RELEASE COMPLETE

CAA ou MSC

Raccroch par le poste fixe

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7. Intgration des rseaux orients paquets (S3, facultatif)

7.1. Service fourni par GPRS GPRS = General Packet Radio Service

Accs un rseau de donnes commutation par paquet - Nom gnrique = PDN, Packet Data Network - Dans la pratique = Rseau IP (IPv4, IPv6)

Dploiement dun rseau cur de type IP qui permet de transporter des paquets de nimporte quel format - Nom gnrique = PDP, Packet Data Protocol - Dans la pratique = Paquet IPv4, Paquet IPv6 (trame PPP)

Accs radio en mode paquet

Dbit possible : - 40 kbit/s typiquement en GPRS pur - 100 kbit/s typiquement avec GPRS+EDGE (Enhanced Data Rate for the Global

Evolution)


7.2. Architecture physique de rfrence Rutilisation des stations de bases BTS et des BSC

- minimisation des cots dinfrastructure

Dploiement dun rseau cur spcifique

SGSN : Serving GPRS Support Node, Routeur IP grant les terminaux pour une zone Equivalent du MSC dans larchitecture circuit

GGSN : Gateway GPRS Support Node, Routeur IP s'interfaant avec les autres rseaux Equivalent du GMSC dans larchitecture circuit (mais on passe toujours par la

passerelle)

37

Semaine 3b : Intgration des rseaux orients paquets



7.3. Attachement au rseau

Etats d'un mobile

Mobile non attach au rseau GPRS Mobile teint

Mobile attach au rseau GPRS Mobile localis par le rseau la prcision d'une zone de routage d'une cellule,

Mobile attach avec contexte activ Mobile existant au niveau du rseau PDP

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Attachement au rseau


Attachement au rseau (suite)

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7.4. Dtachement GPRS Procdure effectue lors de la mise hors tension


7.5. Activation dun contexte PDP Activation dun contexte = connexion rseau (mais pas forcment utilisation) Pour lutilisateur, le contexte est prcis grce lAPN, Access Point Name (exemple

operateur.fr, accespro.operateur.fr) Lactivation dun contexte conduit au choix dun GGSN (fonction de lAPN) Rponse du rseau = adresse PDP (dans la pratique adresse IP)

40



41


7.6. Transmission de donnes dans le rseau GPRS A lissue de lactivation de contexte PDP

- Le SGSN connat le rseau PDP utilis, l'adresse PDP du mobile, - Le GGSN connat l'adresse du SGSN o le mobile se trouve

Les donnes venant des rseaux fixes sont encapsules par le GGSN pour les envoyer vers le SGSN.


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7.7. Architecture en couches

Architecture en couches dans le plan usager (User Plane)

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Architecture en couches dans le plan de commande (Control Plane)


8. Synthse et conclusion sur rseau daccs et rseaux cur lensemble des stations de base constitue le rseau daccs

le rseau cur est diffrent suivant les gnrations - GSM (2G) lorigine : rseau tlphonique commutation de circuit rutilisation des protocoles spcifiques au rseau tlphonique

- GSM (2G) en 2013 : conservation des protocoles spcifiques au rseau tlphonique mais transport de la voix sur un rseau IP

- GPRS (2G) : rseau cur bas sur IP utilis pour rseau tlphonique commutation de circuit

rutilisation des protocoles spcifiques au rseau tlphonique

- Conservation de 2 rseaux curs pour la 3G

- 4G : Utilisation dun seul rseau cur entirement bas sur IP et les protocoles associs pour tous les services (http, FTP, SIP, RTP,)

Explication des concepts gnraux en prenant lexemple de GSM (2G), rseau cur circuit.

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Le concept cellulaire

X. Lagrange

Telecom Bretagne

21 Mars 2014

X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 1 / 57

Introduction : Objectif du cours

Soit un operateur qui dispose dune bande de frequences W

Ou` mettre les stations de base ?

Quelle technologie choisir ?

Comment organiser la bande de frequences ?

Comment affecter la ou les frequences a` chaque station de base ?

Lorganisation des ressources est-elle specifique a` un service ?


45

Semaines 4 et 5 : le concept cellulaire

Introduction : Connaissances utilisees

Approche analytique pour comprendre les principaux phenome`nes, lescompromis

Mathematiques

TrigonometrieAnalyseSoupcon dArithmetiqueProbabilite

Propagation

Bases de Theorie de linformation

de la logique !

De la patience !


Presentation du mode`le : services consideres

Services non elastiques ( inelastic)

Requiert un debit minimal (ou fixe) et un faible retard (faible latence)Exemple : la telephonie, la video-conferenceCas du cours : Rtarget fixe

Services elastiques

Tend a` utiliser le debit maximal disponibleExemple : transfert de fichiers, navigation webCours : calcul du debit maximal theorique quon peut avoir


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Presentation du mode`le : reseaux cellulaires

Le territoire est divise en cellules, desservies chacune par une (ouplusieurs) stations de base, lensemble de ces cellules formant un seulreseau (sans que cette division soit pas perceptible)

Les memes canaux de frequence sont reutilises dans plusieurs cellulesselon la capacite du syste`me a` resister aux interferences.

Syste`mes sans fils

couverture par lots (meme si on arrive a` des archipels !)WiFi

Syste`mes cellulaires

objectif de couverture continue dun tre`s large territoireGSM/GPRS (2G), UMTS (3G), LTE (4G)


Presentation du mode`le : homogeneite partout !

Surface a` couvrir totalement uniforme

Meme densite de population sur tout le territoireMemes type de territoire (urbain, rural)Homogenete des utilisateurs

Etude dans un premier temps de la liaison descendante ou downlink

Transmission du reseau vers le terminal

Mode`le theorique un peu loin de la realite mais qui permet decomprendre les principaux phenome`nes, les principaux compromis


47

Propagation : Propagation dans le vide

Hypothe`se dune antenne omnidirectionnelle

Rayonnement uniforme dans tout langle solide 4pi

Antenne de reference

Impossible a` fabriquerSimple a` manipuler sur un plan theorique

Propagation dans le vide : aucun obstacle

Emetteur avec puissance PE a` lentree de lantenne

Puissance PR recue par le recepteur

PR = PE2

(4pir)2= PE

2/(4pi)2

r2

avec la longueur donde du signal emis et r la distance entrelemetteur et le recepteur.Formule propagation en espace libre, appelee aussi formule de Friis


Propagation : Propagation dans le vide


48

Propagation : Propagation dans un milieu avec obstacles

Il y a rarement visibilite directe entre lemetteur et le recepteur

Diffraction sur les anglesReflexion sur les surfaces planesDiffusion sur les surfaces non planesCe qui importe, cest la taille des irregularites vis a` vis de la longueurdonde de londe electromagnetique consideree

un terminal recoit en general plusieurs echos du meme signal transmis Propagation multi-trajets

Forte variation locale du signal (sur distance /2)


Propagation : Mode`le dOkumura

Phenome`nes (diffraction, reflexion, diffusion) difficiles a` predire :

approche empiriqueserie de mesures faite par Y. Okumura a` Tokyo en 1968mode`le sans cesse raffine depuis (M. Hata, actions europeennes COST)


49

Propagation : Mode`le dOkumura

Puissance mediane PR recue par le recepteur, PR = PEk2

r

avec la longueur donde du signal emis et r la distance entrelemetteur et le recepteur.avec k et deux parame`tres dependant de lenvironnement ( [2, 4]typiqu. 3.5)


Propagation : Effet de masque

Valeur mediane donnee par Okumura-Hata-Cost231

Effet de masque : prise en compte de lincertitude par variable aleatoirenormale centree (gaussienne)

PR = PEk2

r 10/10

= variable aleatoire normale centree et normalisee = ecart-type de leffet de masque en dB, [5, 10] typiquement


50

Communications numeriques : Rapport signal sur bruit

Rapport S/N entre la puissance S du signal recu et la puissance N du bruitde fond

Rapport souvent exprime en dB (on affiche 10 log10(S/N))SNR, Signal to Noise Ratio

Le bruit de fond est du a` lagitation thermique des electrons et auximperfections des amplificateurs (notion de facteur de bruit)

Bruit thermique pur : N = WkT avec k = 1.38 1023 (constante deBoltzmann), T la temperature en Kelvin, W la largeur de bande dusignalAvec GSM, W = 270 kHz, T = 293 K dou` N = 1.1 1015 soit119 dBm 1Amplificateur GSM augmente le bruit de typiquement 5 dBLe niveau de bruit est dun recepteur de terminal GSM est119dBm + 5dB = 114dBm

Si un terminal recoit un signal de puissance 100 dBm, le rapport signal surbruit est de 14 dB

1. erreur de calcul dans la video : le resultat plus precis est 1.091015 et non 1.161015. Cela ne changerien a` la valeur en dBm


Communications numeriques : Debit et rapport signal surbruit (1/2)

Capacite du canal : limite superieure de la quantite dinformation quon peuttransmettre de facon fiable sur un canal de transmission perturbe

Concept issu de la theorie de linformation developpe par Claude Shannon

Sur un canal de transmission AWGN (Additive White Gaussian Noise),theore`me de Shannon-Hartley

Le debit maximal R (en bit/s) quon peut atteindre estR = Wlog2(1 + S/N)ou` W est la bande du canal en Hertz, S/N est le rapport signal surbruit (valeur lineaire)R/W est aussi appelee capacite de Shannon (en bit/s/Hz)


51

Communications numeriques : Utilisation du theore`me deShannon-Hartley

Rappel : Capacite de Shannon, R/W = log2(1 + S/N)

Dans les annees 80 (GSM), on en etait encore loinDepuis 2005-2010, on sen approche (progre`s du codage, desprotocoles de liaisons de donnees, adaptation dynamique de lamodulation et du codage)Hypothe`se du cours : on latteint !

Services non elastiques

Debit requis : Rtarget seuil minimal de S/N est appele minServices elastiques

Debit possible R = Wlog2(1 + S/N)Dans la pratique, il faut aussi un debit minimal pour un certain confortCadre du cours : seuil minimal de S/N vaut min


Sensibilite dun terminal

Rappel : Valeur minimale min de rapport signal sur bruit exige pourtous les services

Puissance de bruit minimal dun recepteur N.

Soit C le signal recu par un recepteur

Condition de bonne reception : CN > min

Soit C > Nmin ou 10 log10(C ) 10 log10(N) + 10 log10(min)La valeur minimale de C sappelle la sensibilite : Cmin = NminExemple

En GSM, pour un service de telephonie, min = 9 dBPour un terminal, le bruit de fond, N = 114 dBmOn en deduit C 105 dBm


52

Reseau cellulaire regulier : Cellule elementaire isolee

Soit une station de base isolee avec une antenne isotrope parfaitetransmettant a` la puissance P

Propagation regulie`re : C = P k2

r

Sensibilite du terminal : Cmin

C Cmin r rmax avec rmax =(Pk2/Cmin

)1/


Reseau cellulaire regulier : Cellules hexagonales

En premie`re approximation, Cellule = disque de rayon rmax

Pour avoir une couverture sans trou, il faut un recouvrement des cellules

Maillage des stations de base selon une grille hexagonale = meilleurecompacite


53

Reseau cellulaire regulier : Notion de motif

On conside`re des carreaux hexagonauxOn dispose de plus ou moins de couleursSuivant le nombre de couleurs K , quelle est la distance D entre lescentres de 2 carreaux de meme couleur ?Avec une couleur (K = 1), D = 1



Avec deux couleurs (K = 2), D = 1

Peu dinteret a` utiliser un motif de taille 2


54


Avec 3 couleur (K = 3), D = ? Avec deux couleurs (K = 4), D = ?



Determination dun motif de base et replication de ce motif a` linfini

Resultats admis :

Le nombre de couleur doit verifier : K = i2 + j2 + ij avec i et j entiersDans ce cas,

D =

3Krmaxil y a 6 hexagones de meme couleur a` la distance DK = 1, 3, 4, 7, 9 . . .Le nombre de couleur doit verifier : K = i2 + j2 + ij avec i et j entiers

Remarque : on peut faire un motif de taille quelconque mais ladistance D est la meme que pour la valeur de K immediatementinferieure qui verifie la formule


55

Reseau cellulaire regulier : Retour a` la planification

Analogie :

couleur groupe de frequences2 couleurs differentes toutes les frequences sont differentes

Motif de reutilisation cellulaire : ensemble de cellules ou` toutes lesfrequences sont differentes

Si un operateur dispose de N frequences au total, avec un motif detaille K , il pourra mettre N/K frequences dans chaque cellule


Reseau cellulaire regulier : exemple du motif a` 7

Operateur avec 14 frequences

Planification avec un motif de taille 7


56

Reseau cellulaire regulier : Exercice 1 sur un motif cellulaire

Un operateur a 12 frequences numerotees de 1 a` 12, affecter a` chaquecellule une ou plusieurs frequences avec un motif a` 3, puis avec unmotif a` 4

Motif a` 3 (K = 3) Motif a` 4 (K = 4)


Analyse dun reseau cellulaire : Pire cas et cas median

Reseau hexagonal regulier

Analyse du debiten bordure de cellule

Debit minimal

a` une distance mediane (partage la cellule hexagonale en deuxparties de meme surface)

Debit median (notion specifique a` ce cours)


57

Analyse dun reseau cellulaire : Surface dun hexagone

Soit un hexagone de rayon rmax

SH = 6

32 rmax 12 rmax

SH =3

32 r

2max


Analyse dun reseau cellulaire : Calcul du rayon median

SH =3

32 r

2max

SC = pir2median

Donc

rmedian = rmax

3

3

4pi

rmedian = 0.64rmax


58

Analyse dun reseau cellulaire : Bruit et Interferences

Reseaux cellulaire :

Bruit de fond (bruit additif gaussien)Interference co-canal assimile a` du bruit additif gaussienInterference canal adjacent souvent negligeeAutres sources dinterferences negligees


Analyse dun reseau cellulaire : Rapport signal surinterference

Reseaux cellulaire :

Bruit de fond (bruit additif gaussien) NTotal des interferences co-canal I assimile a` du bruit additif gaussien

Rapport Signal sur Bruit vaut CI+NDans un syste`me cellulaire,

rapport Signal sur Interference et BruitSINR, Signal to Interference and Noise Ratio

Les interferences sont souvent bien superieures au bruit, on parle de

rapport Signal sur InterferenceSIR, Signal to Interference RatioC/I avec C puissance du signal utile et I puissance des interferences,Notation du cours

Capacite de Shannon, R/W = log2(1 + C/I )


59

Analyse dun reseau cellulaire : Cellules co-canal

6 cellules co-canal a` la distance de reutilisation D =

3K rmax (siK = 1, 6 cellules voisines)

Encore 6 cellules co-canal a` D =

3D = 3

K rmaxMeta-structure hexagonale


Analyse dun reseau cellulaire : rapport signal surinterference

Signal utile C = P kr

On ne conside`re que les 3premie`res couronnes dinterferences(18 cellules co-canal)

Interferences I =18

j=1 Pkrj

On en deduit pour un mobile en unpoint donne C/I = 118

j=1 (r/rj )

Le C/I ne depend pas du facteur k ,ni des puissances demission


60

Analyse dun reseau cellulaire : rapport signal surinterference

Quelle que soit la taille de motif, le rapport signal sur interference est dautantplus grand que le terminal est proche de la station de base

Pour une taille de motif grande, la decroissance est plus faible.

En bordure de cellule, C/I = 3dB dans ce mode`le regulier ideal (dans la pratiqueon peut rencontrer 12 dB).


Analyse dun reseau cellulaire : Decoupage en porteusesdes syste`mes 1G et 2G

Grande ou moyenne taille de motif K pour syste`mes 1G ou 2G

Operateur dispose dune bande W

Decoupage FDMA de la bande en n sous-porteuses de largeur w

On a n = W /w

Contrainte n K


61

Analyse dun reseau cellulaire : Calcul simplifie de C/I pourun grand motif

Rappel C/I = 118j=1 (r/rj )

Si K est grand, rj ' D et en neconsiderant que la premie`re couronne

C/I = 16j=1 (r/D)

= 16

(Dr

)Le C/I minimal est obtenu pourr = rmax

On en deduit (C/I )min =16 (3K )

/2

Conclusions (generalisable avec deshypothe`ses moins restrictives)

Le seuil de fonctionnement dunsyste`me impose une taille de motifCest bien une caracteristiqueintrinse`que dun syste`me


Analyse dun reseau cellulaire : calcul simplifie de debitdisponible pour un grand motif

Avec le mode`le tre`s simple,

C/I = 16(Dr

)Avec un motif de taille K , la bande disponible sur chaque cellule estW /K

En utilisant le theore`me de Shannon-Hartley, on obtient

Rmin =WK log2

(1 + 16 (3K )

/2)

obtenu pour r = rmax

Si K , Rmin 'W log2

(3/2

6

)K +

W2

log2(K)K et donc Rmin 0

On montre de meme que Rmedian =WK log2

(1 + 16

(3K0.64

)/2) 0 siK Si on veut disposer de hauts-debits et simplifier la planification, mieuxvaut utiliser une petite taille de motif


62

Analyse dun reseau cellulaire : Zone de fonctionnementdes syste`mes 1G et 2G

Syste`mes Analogiques (1e`re generation, annees 70-80)

Seul service = telephonieLe C/I est en relation directe avec la qualite de service percueSeuil de fonctionnement typique : 18 dBIl faut garantir de seuil important dans toute la celluleTaille de motif imposee = 21

Syste`mes Numeriques de 2e`me generation de type GSM

Service principal = telephonieUtilisation du codage correcteur derreurSeuil de fonctionnement typique : 12 dBIl faut garantir de seuil dans toute la celluleTaille de motif imposee = 12


Analyse dun reseau cellulaire : Debit minimal et debitmedian par rapport a` la taille de motif

Calcul identique au precedentmene en appliquantC/I = 118

j=1 (r/rj )

Pour un mobile a` distance r ,

R = WK log2

(1 +

(3K

g(r)

))avec g fonction croissante

Calcul pour differentes tailles demotif

Debit median maximal pourK = 1

1 34 7 9 1213 16 19 21

0.5

1

1.5

2


63

Analyse dun reseau cellulaire : Zone de fonctionnementdes syste`mes 3G CDMA

Rappel : R = Wlog2(1 + C/I )

Constat : en bordure de cellule C/I < 0 dB

Utilisation dun W importantPossibilite davoir un debit notable meme si C/I est faible

Etalement de spectre ou spread-spectrum transmission

Consiste a` transmettre une sequence pseudo-aleatoire a` un debit plusgrand que le debit utilisateur (augmentation de W )Permet une reception alors que le signal est noye dans le bruit (oulinterference). Seuil de fonctionnement typique 12 dB

MAIS

Complexite des recepteursReseau difficile a` regler (Forte sensibilite du syste`me au controleautomatique de puissance)


Analyse dun reseau cellulaire : syste`me 4G

diversite de services : donnees, telephonie, videos en streaming

Utilisation de lOFDM

Fonctionne a` bas rapport signal sur bruit mais pas tre`s bas(typiquement 5,3 dB)Utilisation du codage correcteur derreur

Volonte dutiliser un motif de taille 1

Gestion dynamique de linterference


64

Analyse dun reseau cellulaire : ICIC exemple 1

Terminaux proches de la station de base

Vrai motif a` 1 : transmission simultanee par toutes les stations de base


Analyse dun reseau cellulaire : ICIC exemple 2

Terminaux en peripherie de certaines cellules

Coordination entre cellules voisines : pas de transmission de certainesstations de base (pendant un intervalle de temps, typiquement 1 ms) pourreduire les interferences

Utilise dans le syste`me LTE


65

Etude dun mode`le plus fin : Prise en compte de leffet demasque

PR = PEk2

r 10/10

= variable aleatoire normale centree et normalisee = ecart-type de leffet de masque en dB, [5, 10]

Un mobile i peut recevoir plusieurs stations de base (BSj , BSl)

Les deux variables i,j et i,k sont supposees independantes si j 6= kEn toute rigueur, hypothe`se non verifiee (interieur des batiments)


Cellule dans un mode`le hexagonal sans masque


66

Cellule dans un mode`le hexagonal avec un masque de 3 dB




67



Etude dun mode`le plus fin : Distribution du C/I avec uneffet de masque de 5 dB

Le masque est une variable aleatoire non bornee

Il ny a plus de minimum absolu mais un repartition du C/I

Les zones a` fort C/I restent celles proches de la station de base

Figure: Distribution du C/I dans un reseau omnidirectionnel regulier (voiedescendante, = 3.5, = 5 dB)


68

Etude dun mode`le plus fin : Determination dune taille demotif avec effet de masque

Seuil C/I fixe. Par exemple 10 dB.

Seuil de tolerance fixe. On accepte que 10% des utilisateurs aient un C/Iinferieur au seuil

Determination de la plus petite taille de motif qui convient K = 7

Figure: Distribution du C/I dans un reseau omnidirectionnel regulier (voiedescendante, = 3.5, = 5 dB)


Etude dun mode`le plus fin : Cout dun reseau

Le cout dun reseau est proportionnel au nombre de sites occupees

Location du toit ou de lemplacement pour mettre le pylone

Liaison filaire ou par faisceau herzien entre la station de base et le reseau

Nombre de lieux ou` intervenir pour la maintenance


69

Etude dun mode`le plus fin : antennes directionnelles

Utilisation dantenne directive

Permet de mieux concentrer lenergie dans unedirection

Exemple : Amplitude du champ a` +30 parrapport a` la direction de plus fort rayonnement= 0.7 Champ max (moitie de la puissance)Une telle antenne couvre bien lhexagone enmettant la station de base sur un coin


Etude dun mode`le plus fin : Interet de la tri-sectorisation

Division par 3 du nombre de sites

Conservation du nombre de cellules


70

Etude dun mode`le plus fin : Interet de la tri-sectorisation

Degradation du C/I pour une meme taille de motif


Etude dun mode`le plus fin : Tri-sectorisation dans GSM

Utilisation quasi-systematique de latri-sectorisation en GSM(UMTS,. . . )

En zone rurale, urbaine,. . .


71

Etude dun mode`le plus fin : considerations sur la voiemontante en 2G

Meme proble`me dinterference et de C/I minimal a` assurer


Etude dun mode`le plus fin : considerations sur la voiemontante en 3G (reseaux CDMA)

Plusieurs terminaux au sein de la meme cellule transmettent en meme tempssur la meme frequence

Presence dune interference externe et dune interference interne

Necessite davoir un syste`me a` tre`s bas C/I de fonctionnement

Controle de puissance indispensable


72

Etude dun mode`le plus fin : considerations sur la voiemontante en 4G

Utilisation dun motif a` un mais un seul terminal dans une cellule transmet a`un instant donne (hors cas particulier du MIMO)

Pas dinterference interne

Necessite de coordination des allocations entre cellules


73

Interfaces radios des reseaux cellulaires

X. Lagrange

Telecom Bretagne

16 Avril 2014

X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 1 / 82

Decoupage frequentiel dans GSM

Multiplicite des bandes de frequences utilisables dans GSM

bande a` 900 MHz, a` 1800 MHzbande a` 850 MHz (chemins de fer)utilisation du 1900 MHz aux U.S.

Decoupage du spectre en porteuses espacees de 200 kHzX. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 2 / 82

75

Semaine 6 : Interface radio, multiplexage

Re`gle de numerotation des porteuses et duplexage dansGSM

Porteuses identifiees par ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number)

0 ou 1 ARFCN 124 fd = 935 + 0.2 ARFCN GSM 900128 ARFCN 251 fd = 869.2 + 0.2 (ARFCN 128) GSM 850259 ARFCN 293 fd = 460.6 + 0.2 (ARFCN 259) GSM 450306 ARFCN 340 fd = 489 + 0.2 (ARFCN 306) GSM 480512 ARFCN 885 fd = 1805.2 + 0.2 (ARFCN 512) GSM 1800975 ARFCN 1024 fd = 935 + 0.2 (ARFCN 1024) GSM 900E

Ne pas soccuper des formules mais seulement du fait qua` partir dun ARFCN, onpeut identifier une frequence

A chaque frequence sur la voie descendante correspond une frequence sur la voiemontante deduite par une soustraction dune valeur constante (FDD, FrequencyDivision Duplex)

fu = fd 45 MHz en 900 et 850 MHzfu = fd 95 MHz en 1800 MHzfu = fd 10 MHz en 450 et 480 MHz


Decoupage frequentiel dans dautres syste`mes

Decoupage en porteuses/frequences dans tous les syste`mes (UMTS,LTE)Le pas du decoupage de frequences est plus gros (5 MHz en UMTS,1.4 a` 20 MHz en LTE)Duplexage en frequence ou en temps


76

Duplexage frequentiel dans dautres syste`mes

TDD = Time Division Duplex

Avantage = repartition entre la voie montante et la voie descendantepeut ne pas etre la meme

Il existe un mode TDD dans certains syste`me (UMTS, LTE)


Allocation des bandes aux differents syste`mes

Bandes appariees pour le FDD

Les blocs restants (non apparies) sontutilises pour le TDD

TDD surtout utilise dans les pays asiatiques(Chine) et peu en Europe


77

Multiplexage temporel dans GSM


Multiplexage temporel dans GSM

Multiplexage temporel ou TDMA (Time Division Multiple Access)

Trame TDMA (ou TDMA frame) = structure qui se repe`te regulie`rement (duree4.615 ms)

Une trame TDMA contient 8 slots (ou intervalle de temps)

Chaque trame est numerotee par un compteur FN, Frame Number (de 0 a` 2 715647)

La trame sur la voie montante est decalee de 3 slots par rapport a` la voiedescendante

Le decalage permet a` un terminal de ne pas recevoir et transmettre en meme temps

Canal physique duplex = 1 intervalle de temps donne dans chaque trame TDMAsur la voie descendante et sur la voie montante (meme numero que sur voiedescendante)


78

Trame temporelle dans les autres syste`mes

La notion de slot se retrouve en UMTS et en LTE

La notion de trame egalement

Chaque trame est egalement numerotee


Multiplexage temporel et delai de propagation (1/2)


79

Multiplexage temporel et delai de propagation (2/2)


Utilisation dun burst court et mesure du delai depropagation


80

Gestion de lavance en temps ou Timing Advance


Activite dun mobile en GSM (1/2)

Terminal GSM en communication

Reception par le terminal pendant un slot sur f1d

Transmission par le terminal pendant le slot de meme numero sur f1u

Autre station de base transmet la voie balise sur f2d


81

Activite dun mobile en GSM (2/2)

Trois phases principales pour un terminal en communication

Reception, Reception par le terminal pendant un slot sur f1dTransmission, Transmission par le terminal pendant le slot de memenumero sur f1u qui se trouve 3 slots plus tardMonitor, Ecoute de la voie balise dune station de base voisine (danslexemple sur f2d mais cela peut changer a` chaque nouvelle trame)


Unite elementaire de transmission en GSM (1/8)


82





83





84





85



86

Chane de transmission : code detecteur derreur


Chane de transmission : code correcteur derreur


87

Semaine 7 : Transmission sur l'Interface radio et canaux logiques

Chane de transmission : entrelacement (1/2)


Chane de transmission : entrelacement (2/2)


88

Chane de transmission : modulation numerique


Chane de transmission comple`te


89

Chane de transmission pour la parole


Chane de transmission pour la signalisation


90

Canal de trafic et canal lent associe (1)




91



Canal de signalisation et canal lent associe (1/4)


92





93


Un canal physique supporte en paralle`le

8 canaux logiques SDCCH a` 0,8 kbit/s pour la signalisationchaque SDCCH ayant son canal logique SACCH a` 0,4 kbit/spermettant la supervision de la liaison

Notion de canal dedie : une slot regulie`rement alloue a` un terminalparticulier

soit un TCH et le SACCH correspondantsoit un SDCCH et le SACCH correspondant

Un terminal qui dispose dun canal dedie est en mode dedie

necessite de superviser la liaison (utilite du SACCH)possibilite de handover


Voie balise dans GSM (1)


94





95

Voie Balise dans GSM et veille dun terminal


Un terminal allume mais non utilise est en veille

Il effectue les operations suivantes

ecoute regulie`re de la voie balisemesure de puissance recue sur

la voie balise couranteles voies balises des cellules voisines

identification de la voie balise la mieux recuepositionnement en reception sur cette voie balise


Voie Balise dans les autres syste`mes

Tous les syste`mes mobiles ont une voie balise (UMTS, LTE,... )

Limplementation de cette voie balise change mais on a toujours

lemission periodique dun mot de synchronisation commun a` toutes lesstations de base dune technologie donnee (Synchronisation Channel)la diffusion des informations syste`mes (Broadcast Channel)


96


Terminal en veille : ecoute de la voie balise

Terminal en cours de service : canal dedie alloue

Comment permettre

au terminal dacceder a` un serviceau reseau de joindre un terminal

Canaux communs et mecanismes dacce`s


Canaux communs dans GSM (RACH)


97

Canaux communs dans GSM (AGCH)


Canaux communs dans GSM (PCH)


98

Principe de lacce`s dans GSM (1/2)


Principe de lacce`s dans GSM (2/2)


99

Semaine 8 : Interface radio, mcanismes d'accs et handover


On retrouve le meme principe dacce`s dans les autres reseauxcellulaires (UMTS, LTE,. . . )

acce`s par transmission dune sequence courteallocation dune ressource dedieephase prealable de paging si cest le reseau qui veut joindre le terminal

Mode circuit sur linterface radio (GSM)

allocation de la ressource dediee sur un longue periode

Mode paquet (GPRS, LTE)

allocation de la ressource minimale necessaire pour transmettre lesdonneesacce`s tre`s frequents


Transmission de la voix en cas derreur a` la reception

Parole : si un bloc de parole nest pas recu, il... nest pas recu !

La conversation reste comprehensible si quelques blocs isoles sontperdus (typiquement 1%)


100

Transmission de la signalisation en cas de receptioncorrecte

Signalisation : mecanisme dacquittement du bloc

Lexpediteur a lassurance que le message est bien arrive au recepteur (NB. pasnecessairement au destinataire final)

Mecanismes identiques sur la voie montante (acquittement descendant) etdescendante (acquittement montant)


Transmission de la signalisation en cas derreur a` lareception

Signalisation : un message dont lacquittement na pas ete recu est retransmis

jusqua` bonne reception dun acquittementjusqua` ce que le nombre maximal de retransmissions soit atteint (engeneral, coupure de la connexion)


101

Protocole de liaison de donnees

Protocole de liaison de donnees ou ARQ (Automatic Repeat reQuest)

Voir Mooc Introduction aux reseaux de donneesProtocole de niveau 2 : entre terminal et station de base (pas entrelexpediteur et le destinataire final)

Protocole de type Send And Wait (Envoyer et Attendre)

Toutes les donnees sont envoyees dans des tramesEnvoi dune trame puis attente de la reception de lacquittementSi reception dun acquittement positif, passage a` la trame suivanteSi non reception dun acquittement positif (dont receptionacquittement negatif), retransmission de la meme trame


Protocole LAPDm, liaison de donnees

LAPDm, Link Access Protocol on the Dm channel (Dm = SDCCH,SACCH)

Protocole herite du protocole HDLC largement utilise dans les reseaux

Numerotation des trames sur 3 bits (0 a` 7 modulo 8) dans un champappele N(S)

Numerotation des acquittements sur 3 bits (0 a` 7 modulo 8) dans unchamp appele N(R)

Le champ N(R) indique le numero de la prochaine trame attendue

N(R)=1 signifie je mattends a` recevoir la trame 1 donc jai bien recula trame 0


102

Scenario LAPDm sans erreur

Incrementation regulie`re du numero de trame N(S)

Du fait de la bonne reception, le numero N(R) est le numero immediatementsuperieur a` N(S) (modulo 8)


Scenario LAPDm avec erreur sur une trame

Retransmission de la meme trame


103

Scenario LAPDm avec erreur sur un acquittement

Retransmission de la meme trame


Fonctionnement et place du LAPDm dans larchitecture

Couche Liaison de donnees : protocole LAPDm

Service rendu : fiabilisation des echanges de messages entre terminal et BTS

Utilise sur les canaux dedies ou associes (SDCCH, FACCH, SACCH)


104

Format de la trame LAPDm (1/3)

Trame limitee a` 23 octets (information utile 20 octets)

Segmentation possible des messages de niveaux 3 en plusieurs trames

pas de fanion delimiteur mais une indication de longueur

Pas de code detecteur derreur dans la trame LAPDm car il est place dans lacouche physique



Champ adresse

SAPI, Service Access Point IdentifierIdentifie lentite utilisatrice superieureSAPI=0 pour signalisation, SAPI=3 pour SMS

autres sous-champs moins importants (non detailles)

Champ longueur

nombre doctets du champ dinformation (0 a` 20)bit M, More, utilise pour la segmentation et le reassemblage

M=1, la trame suivante contient la suite du message de niveau 3M=0, dernie`re partie du message de niveau 3 (ou message nonsegmente)

autres sous-champs moins importants (non detailles)


105


Memes format du champ Control que pour le protocole HDLC standard

Trame dinformation I

Trames de supervision, RR=Receiver Ready (acquittement), RNR=Receiver NotReady, REJ = Reject

Trames non numerotes , SABM=Set Asynchronous Balanced Mode (etablissementde connexion), UA=Unumbered Acknowledgement, Disc=Disconnect (demande dedeconnexion), DM = Disconnect Mode


Etablissement et liberation de connexion avec LAPDm

Specificites du LAPDm

La trame detablissement de connexion SABM peut contenir un message deniveau 3La reponse UA contient le meme message en echo


106

Etablissement de canal dedie puis connexion LAPDm

De`s lallocation dun canal dedie, une connexion de niveau 2 est etablie entre leterminal et la BTS

Les messages de niveau 3 sont ensuite echanges sur la connexion de niveau 2


Exemple de mise en oeuvre du concept de Non AccessStratum

Toute trame emise par un terminal sur un canal dedie est retransmise par la BTSavec lindication du canal dedie (et reciproquement pour le sens descendant)Une connexion, specifique au terminal, est etablie entre le BSC et le MSC

NAS, Non Access Stratummessages echanges entre le terminal et le MSCretransmission sans analyse du message par la BTS et le BSCexemples : authentification, mise a` jour de localisation, appel telephonique,SMS


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Exemple de mise en oeuvre du Concept dAccess Stratum

AS, Access Stratum

messages echanges entre le terminal et le BSCretransmission sans analyse du message par la BTSexemples : allocation de ressource radio initiale, allocation dune nouvelleressource radio, handover


Autre exemple de message dAccess Stratum

Exemple dechange de messages AS, Access Stratum entre des echanges NAS

Lors dun appel telephonique :

echange de signalisation sur le SDCCH (authentification, activation duchiffrement) = messages NASallocation dun canal plein debit TCH : message dallocation = message ASlechange de messages AS nest pas vu du MSC


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Retour sur les piles protocolaires dans le reseau dacce`s

Utilisation de la signalisation semaphore sur linterface A entre BSC et MSC

MTP, Message Transfer Part (MTP 1 a` MTP 3)SCCP, Signalling Connection Control Part en mode connecte

BSSAP, Base Station Subsystem Application Part, echange de commande entreMSC et BSC (principalement)


Principes generaux du handover

Handover ou Hand-off (US) = Changement de cellule en cours decommunication (ou de session)

Mesures par le mobile sur la station de base courante et les stationsde bases voisines (niveau de puissance, dinterferences, etc.)

Transmission regulie`re ou sur crite`re des mesures vers linfrastructure

Mesures par linfrastructure

De`s quil est considere comme necessaire de faire un handover

reservation des ressources par le reseauenvoi de la commande de handover


109

Hard Handover

Hard-handover = une seule liaison radio a` chaque instant entre le terminal et lastation de base

coupure de la liaison avec la station de base courante

etablissement de la liaison avec la nouvelle station de base courante

micro-coupure de la communication

mais possibilite davoir une double connexion au sein du reseau (hors liaison radio)

simplicite et faibles ressources consommees dans le reseaumobile pas toujours connecte a` la meilleure cellule (hysteresis pour eviter uneffet ping-pong)


Soft Handover

Soft-handover = plusieurs liaisons radios possibles (i.e. entre le terminal etplusieurs stations de base)

continuite de la communication (seamless handover)

confort dutilisation pour les communications vocalesabsence de perte dinformation pour les transmissions de donnees en modecircuit

continuite importante dans un approche circuit mais beaucoup moins dans unetransmission par paquet, par essence discontinue

Mobile est connecte a` plusieurs stations de base :

le mobile est connecte a` la meilleure station de base meme en cas devariation rapide du signal

Consommation de ressources dans le reseau dacce`s

considere comme un must dans les annees 90 mais abandonne dans lessyste`mes cellulaires 4G


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Caracteristiques du handover dans GSM

hard-handover

remontee periodique de mesures radios par le terminal de`s quuncanal dedie est alloue (communication, SMS, etc.)

Algorithme de decision

dans le BSCchoix de loperateur mais avec une proposition dalgorithme dans lanorme

Handover inter-cellulaire

lorsque le mobile seloigne de la BSpour des questions dequilibre de charge


Differents cas de handover dans le reseau

Le MSC qui a etabli la communication garde toujours le controle dela communication : notion de MSC-ancre ou MSC-AnchorPassage de la communication par un deuxie`me MSC : MSC-relais ouMSC-relay


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Phases dun handover

Phase dobservation (de`s quil y a un canal dedie alloue dans GSM)Mesures faites par la station de base sur la communication couranteMesures faites par le mobile

sur la communication courantesur les voies balises des cellules voisines

Declenchement du handoverPhase de preparation (handover preparation)

Reservation des ressources dans le reseau (radio, sur liaisons entreequipements)Echange de signalisation entre equipements (stations de baseprincipalement) du reseau non visible du terminal

Phase dexecution (handover execution)Echanges de messages avec le terminal sur lancienne puis la nouvellecellule

Phase de finalisation (handover completion)Liberation des ressources non utilisees dans le reseauEchange de signalisation entre equipements = non visible du terminal


Phase dobservation

Le Mobile la MS effectue les mesures suivantes :sur le canal courant,

le niveau de signal recu (note RXLEV),la qualite du signal recu (notee RXQUAL, liee au taux derreur bit).

Sur les voies balises des cellules voisines (selon declaration par chaquestation de base)

le niveau de signal recu (note RXLEV),

Selection des 6 meilleurs voisins et transfert des mesuresMesures transmises sur le canal SACCH toutes les 480 ms.Analyse par le BSC (filtrage ou pre-traitement possible dans la BTS)


112

Phase de preparation

Cas dun handover dune BTS a` une autre BTS controle par le memeBSC

Reservation dun canal sur la nouvelle BTS (par exemple un canalphysique pour supporter un TCH/SACCH)


Execution du handover

Envoi dun message HANDOVER COMMAND contenantla description comple`te du canal alloue sur la nouvelle cellule : numero de slot, frequence (ou parame`tres de lasequence de saut), type de canal,. . .un numero de reference

Le mobile fait un acce`s (emission dun burst dacce`s court) qui contient le meme

numero de referenceverification du numero de reference par la BTS

Reetablissement des connexions de niveau 2

Lorsque le message RR HANDOVER COMPLETE (couche 3) est recu par le BSC,tous les echanges (signalisation, communication vocales) peuvent reprendre via lastation de base cible


113

Finalisation du handover

Liberation des ressources sur lancienne cellule (qui peuvent etreutilisees pour une nouvelle communication)


Autres cas de handover dans GSM

Cest toujours le BSC qui decide du handover Le BSC prepare lehandover en echangeant des messages avec le BSC cible pour que lesressources radio soient reservees dans la cellule cible

Le BSC prepare le handover en echangeant des messages avec le BSCcible pour que les ressources radio soient reservees dans la cellule cible

Le MSC nintervient pas dans les cas de handover intra-BSC,

Le MSC ou les MSC sont transparents par rapport aux dialoguesBSC-BSC

Le protocole ISUP est utilise pour modifier les circuits de parole dansle dialogue MSC-MSC


114

Handover inter-BSC, phase de preparation


Handover inter-BSC, phase dexecution et finalisation


115

Le handover, une operation delicate

Importance dun bon algorithme bien parametre

ne pas declencher le handover trop totne pas declencher le handover trop tard

Necessite de disponibilite de ressources radios dans la cellule cible

Mobile garde sur la cellule origine (si possible !)Choix dune autre cellule cible (si possible !)


116

Glossaire de sigles et termes GSM/GPRS (+ quelques sigles UMTS)

3GPP 3rd Generation Partnership Project A3 Algorithme mis en uvre dans la procdure d'authentification (il permet de calculer

SRES partir de Ki et du RAND). A38 Algorithme runissant les algorithmes A3 et A8. A5 Algorithme de chiffrement/dchiffrement de l'ensemble des informations transmises

sur la voie radio (signalisation, voie ou donnes) utilisant la cl Kc et le numro de trame courante. Plusieurs algorithmes A5 sont prvus (A5.1, A5.2, A5.3, ...).

A8 Algorithme utilis pour calculer la cl de chiffrement Kc partir des arguments d'entre RAND et Ki.

AAL2 ATM Adaptation Layer 2. AAL dsigne la couche intermdiare entre ATM et les applications. Cette couche fournit des services quivalents un transport dans le modle OSI 7 couches.

ASCII American Standard Code for Information Interchange. Norme de reprsentation des caractres par un code de 7 bits, appel aussi code CCITT n5.

ACS Adjacent Channel Suppression. Rapport maximal admissible entre l'interfrence sur un canal adjacent e

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