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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
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