Cours en réseau GSM et GPRS
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27 réponses
Chapitre 1 Généralités sur le GSM
Chapitre 2 Architecture d'un réseau radiomobile GSM
Chapitre 3 Les caractéristiques de l'interface Air
Chapitre 4 Notions de base d'ingénierie d'un site
Chapitre 5 Généralités sur les protocoles et les interfaces
Chapitre 6 Piles de protocoles du systeme GSM
Chapitre 7 Interface ABIS
Chapitre 8 Interface A
Chapitre 9 Quelques références...
L'origine du GSM remonte à l'année 1982. Alors qu'apparaissent les premiers services commerciaux de radiotéléphone cellulaire un peu partout en Europe et aux Etats-Unis, la CEPT (Conférence Européenne des Postes et Télécommunications) confie à un groupe de travail appelé Groupe Spécial Mobiles la tâche de rédiger les spécifications d'un système pan européen de communication basé sur des téléphones mobiles. La bande des 900 MHz, réservée depuis 1978 par la Conférence Administrative Mondiale des Radiocommunications (WARC) est choisie. Le GSM livre une première série de spécifications (dite "phase 1") en 1990, une deuxième série étant à l'étude pour ajouter de nouvelles fonctions au produit GSM.
Ce nom s'internationalise très vite (GSM devient "Global System for Mobile communications"), la norme étant adoptée comme standard de fait dans de nombreux pays. Le GSM devient alors le premier système permettant à l'abonné d'utiliser son téléphone cellulaire à l'étranger. La notion d'itinérance (roaming) est née.
Les objectifs du GSM reprennent et prolongent ceux des précédents systèmes de téléphonie mobile :
>> Grande capacité de desserte d'abonnés.
>> Utilisation efficace du spectre.
>> Disponibilité très large.
>> Adaptabilité à la densité du trafic.
>> Possibilité d'accès à partir de portables (en voiture) et de portatifs (piétons).
>> Services téléphoniques ordinaires et services spéciaux.
>> Qualité de service téléphonique.
>> Prix abordable.
1.1 Concept cellulaire
Un système de radiotéléphonie utilise une liaison radioélectrique entre le terminal portatif et le réseau téléphonique. La liaison radio entre le téléphone mobile et le réseau doit être de qualité suffisante, ce qui nécessite la mise en place d'un ensemble de stations de base (BTS) sur l'ensemble du territoire que l'on souhaite couvrir, de telle sorte que le terminal soit toujours à moins de quelques kilomètres de l'une d'entre elles.
Ce que l'on appelle une cellule, c'est la surface sur laquelle le téléphone mobile peut établir une liaison avec une station de base déterminée. Le principe consiste à diviser une région en un certain nombre de cellules desservies par un relais radioélectrique (la BTS) de faible puissance, émettant à des fréquences différentes de celles utilisées sur les cellules voisines. Ces cellules doivent être contiguës sur la surface couverte. Evidemment, le nombre de fréquences accordées au système GSM étant restreint, l'opérateur est obligé de réutiliser les mêmes fréquences sur des cellules suffisamment éloignées de telle sorte que deux communications utilisant la même fréquence ne se brouillent pas.
Ensemble de cellules
L'hexagone est la forme régulière qui ressemble le plus au cercle et que l'on peut juxtaposer sans laisser de zones vides. Toutefois, la réalité du terrain est bien différente de ce modèle théorique, notamment en zone urbaine où de nombreux obstacles empêchent une propagation linéaire.
1.2 Concept de mobilité
La mobilité des abonnés dans un réseau cellulaire a deux conséquences :
* Pour établir une communication, il faut savoir dans quelle cellule l'abonné se trouve. C'est la fonction de gestion de localisation.
* Il doit y avoir continuité de la communication lorsque l'abonné passe d'une cellule à une autre (transfert inter-cellulaire, communément appelé handover).
Si la mobilité d'un abonné s'étend à plusieurs pays, des accords de roaming doivent alors être passés entre les différents opérateurs pour que les communications d'un abonné étranger soient traitées et aboutissent.
1.3 Sécurité de la communication
Pour éviter les écoutes frauduleuses des communications, le système GSM utilise les moyens suivants :
>> Authentification de l'abonné avant l'accès à une communication.
>> L'utilisation d'une identité temporaire (TMSI = Temporary Mobile Station Identity).
>> Le cryptage des communications (chiffrement).
Chapitre 2 Architecture d'un réseau radiomobile GSM
Un réseau GSM est constitué de trois sous-systèmes :
» le sous-système Radio BSS Base Station Sub-system
» le sous-système Réseau NSS Network and Switching Sub-system
» le sous-système d'exploitation OSS Operation Support Sub-system
Ainsi, on peut ainsi représenter schématiquement un réseau radiomobile de la manière suivante :
2.1 Le sous-système radio BSS (Base Station Sub-system)
Sa fonction principale est la gestion de l'attribution des ressources radio, indépendamment des abonnés, de leur identité ou de leur communication. On distingue dans le BSS :
La station de base BTS (Base Transceiver Station)
Elle permet le dialogue avec le mobile sur l'interface Air (aussi appelée interface Radio ou interface Um). Ses principales fonctions sont :
» Contrôle de la couche physique (couche 1 de l'interface radio) : transmission de la parole et des données, transmission discontinue, ordres de contrôle de puissance et de handover...
» Mesures des interférences sur les canaux non alloués à des communications (idle channels).
» Mesures sur la liaison montante (uplink), servant à l'algorithme de décision du handover.
» Calcul du Timing Advance (avance de temps) pour la synchronisation temporelle, selon la distance qui sépare la BTS du mobile.
» Détection des demandes d'accès des mobiles reçus sur le canal de contrôle commun (RACH).
» Détection des messages de handover access (HO ACCESS).
Le contrôleur de station de base BSC (Base Station Controller)
Il assure le contrôle d'une ou de plusieurs BTS. La plupart des fonctions intelligentes de BSS sont implantées à son niveau, notamment les fonctions de gestion des ressources radioélectriques :
» L'allocation des canaux.
» La gestion de la configuration des canaux.
» Le traitement des mesures et la décision de handovers intra BSC.
2.2 Le sous-système réseau NSS (Network Station Sub-system)
Il assure principalement les fonctions de commutation et de routage. C'est donc lui qui permet l'accès au réseau public RTCP ou RNIS. En plus des fonctions indispensables de commutation, on y retrouve les fonctions de gestion de la mobilité, de la sécurité et de la confidentialité qui sont implantées dans la norme GSM.
Le MSC (Mobile Services Switching Center)
C'est la partie centrale du NSS. Il prend en charge l'établissement des communications de et vers les abonnés GSM. Du fait de la mobilité, l'implantation de la seule fonction de commutation n'est pas suffisante. Le MSC gère la mobilité et les fréquences et enregistre la localisation des abonnés visiteurs (base de données VLR).
Le HLR (Home Location Register)
C'est la base de données qui gère les abonnés d'un PLMN donné. Elle contient toutes les informations relatives à l'abonnement et aux droits d'accès. D'autre part, le HLR est une base de données de localisation. Il mémorise pour chaque abonné le VLR où il est enregistré.
Le VLR (Visitor Location Register)
C'est la base de données qui gère les abonnés présents dans une certaine zone géographique. Ces informations sont une copie de l'original conservé dans le HLR.
L'AuC (Authentication Center)
Il mémorise pour chaque abonné une clé secrète utilisée pour authentifier les demandes de services et pour le chiffrement des communications. Un AuC est en général associé à chaque HLR.
2.3 Le sous-système opérationnel OSS (Operating Sub-System)
Il assure la gestion et la supervision du réseau. C'est la fonction dont l'implémentation est laissée avec le plus de liberté dans la norme GSM. La supervision du réseau intervient à de nombreux niveaux :
» Détection de pannes.
» Mise en service de sites.
» Modification de paramétrage.
» Réalisation de statistiques.
Dans les OMC (Operation and Maintenance Center), on distingue l'OMC/R (Radio) qui est relié à toutes les entités du BSS, à travers les BSC, l'OMC/S (System) qui est relié au sous système NSS à travers les MSC. Enfin l'OMC/M (Maintenance) contrôle l'OMC/R et l'OMC/S.
2.4 Les interfaces
L'interface Um
C'est l'interface entre les deux sous systèmes MS (Mobile Station) et le BSS (Base Station Sub-system. On la nomme couramment « interface radio » ou « interface air ».
L'interface Abis
C'est l'interface entre les deux composants du sous système BSS : la BTS (Base Station Transceiver) et le BSC (Base Station Controler).
L'interface A
C'est l'interface entre les deux sous systèmes BSS (Base Station Sub System) et le NSS (Network Sub System).
Chapitre 3 Les caractéristiques de l'interface Air
3.1 Partage des ressources radio
La bande radio représente la ressource rare et le premier choix architectural fût le découpage du spectre alloué dans un plan temps / fréquence pour obtenir des canaux physiques pouvant supporter une communication téléphonique.
Multiplexage fréquenciel (FDMA)
Le GSM opère dans la bande des 900 MHz, où 2 fois 25 MHz de bande ont été alloués. Les deux parties correspondent au sens montant et au sens descendant de la liaison (uplink et downlink). La largeur des canaux étant de 200 kHz, on obtient 124 canaux duplex qui ont été répartis entre les deux opérateurs GSM français : SFR et Itinéris (France Télécom). La SFR utilise les canaux 63 à 124. Les bandes des deux liaisons ont en outre été séparées par 20 MHz, ce qui porte à 45 MHz l'écart duplex. Sur une bande, on émet des signaux modulés autour d'une fréquence porteuse qui siège au centre de la bande.
Multiplexage temporel (TDMA)
Pour le GSM, chaque porteuse est divisée en intervalles de temps (IT) appelés slots. La durée d'un slot a été fixée à Tslot = (75/130) ms = 0.5769 ms. Un slot accueille un élément de signal radioélectrique appelé burst.
A chaque time slot, on associe un nombre connu par la station de base (BS) et le mobile (MS). Le numérotage des slots est cyclique de durée 3,5 heures. L'accès TDMA (Time Division Multiple Access) permet de partager entre différents utilisateurs une bande de fréquence donnée et, sur une même porteuse, les slots sont regroupés par paquet de 8 : Ttdma = 8.Tslot = 4,6152 ms. Chaque utilisateur utilise alors un slot de la trame TDMA.
On considère aussi les multitrames, les supertrames et les hypertrames, fonctions de la trame TDMA et définies comme telles : hypertrame = 2048 supertrames = 2048*51 multitrames = 2048*51*26 trames TDMA.
Compensation du temps de propagation aller - retour : Timing Advance (TA) :
Les utilisateurs d'un système cellulaire sont à des distances variables de leur station de base et subissent des délais de propagation tp différents (à titre indicatif 30 km sont parcourus en 100µs). Dans le contexte TDMA, il est ainsi nécessaire que deux mobiles qui utilisent deux slots consécutifs n'envoient pas des bursts qui se chevauchent au niveau du récepteur de la BTS. Le délai de propagation peut atteindre quelques centaines de ms (très faible par rapport aux systèmes satellitaires) mais on ne peut pas le négliger car dans le cadre du GSM certaines cellules atteignent 35 km.
La solution est de compenser ce délai avec le paramètre d'avance en temps TA (Time Advance) correspondant au temps de propagation aller-retour (2.tp). Pour illustrer, on considère deux mobiles dans la même cellule : le premier mobile MS1 est en limite de cellule alors que le second mobile MS2 se trouve près de la BTS. On suppose que les deux mobiles utilisent des slots consécutifs sur la même porteuse : MS1 émet sur le slot 1 et MS2 émet sur le slot 2.
En l'absence de compensation de temps de propagation tp, les bursts émis par chacun des mobiles MS1 et MS2 se chevaucheront au niveau de la réception de la BTS :
En effectuant une gestion du paramètre TA, les bursts émis par les deux mobiles ne se chevauchent plus. Le mobile le plus éloigné avance l'émission de chacun de ces slots d'une durée tp par rapport à l'instant de début de slot, c'est à dire 2tp=TA.
Bilan
Avec 62 canaux et 8 intervalles de temps par canal, on a donc un système qui allie un multiplex fréquentiel (FDMA - Frequency Division Multiple Access) et un multiplex temporel (TDMA - Time Division Multiple Access). Un canal physique est donc défini par :
. un numéro de Time Slot TS (dans une trame TDMA).
. une fréquence (ou une loi de saut de fréquence si le saut de fréquence lent est implanté).
Ainsi, il apparaît de manière évidente que la capacité d'un réseau GSM est limitée par son nombre de fréquences. C'est pourquoi la réutilisation de ces dernières est nécessaire.
La modulation choisie pour le GSM est la modulation GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying : modulation avec porteuse à minimum de saut de phase, gaussienne pour "arrondir" les angles des changements).
Le codage de la parole peut se faire se faire de manière traditionnelle ou avec l'utilisation de l'EFR (Enhanced Full Rate) qui correspond à un logiciel de codage de la parole plus évolué que le précédent. C'est le son haute résolution.
Un mobile accède donc au réseau de manière discontinue dans le temps. Il envoie des rafales d'informations (appelés Burst), d'une durée exacte de 156,25 bits, occupant toujours un même intervalle de temps (Time Slot) sur un canal. L'accès au canal montant et au canal descendant se fait toujours de façon décalée: il y a 2 slots de décalage entre le sens uplink et le sens downlink. Ce décalage permet notamment un filtrage duplex plus simple. On a donc 4 time slots qui permettent au mobile de faire des mesures et scruter les canaux des cellules adjacentes dans une phase appelée "monitor".
3.2 Canaux logiques
L'interface radio représente la partie délicate de la chaîne de transmission et le système doit faire face aux différents problèmes du lien mobile-réseau au niveau de la propagation (atténuation, évanouissements, interférences...), mais aussi au niveau de la gestion du réseau : il est nécessaire d'avoir des fonctions de contrôle pour que le mobile se rattache à la station de base la plus favorable, pour établir et surveiller le déroulement d'une communication ou encore assurer le handover. L'utilisation de canaux logiques va permettre une utilisation efficace des ressources radio et une qualité de service satisfaisante. Parmi ces canaux on distingue les canaux dédiés (TCH et SDCCH), c'est à dire alloué à un mobile. Les autres canaux sont des canaux partagés entre mobiles.
Canaux dédiés : « Dedicated Channel »
Sur un canal physique on peut placer soit un TCH avec son SACCH associé, soit 8 canaux SDCCH avec leurs SACCH associés : SDCCH »TCH / 8.
TCH et SDCCH
On distingue les canaux dédiés transportant des informations utilisateur ou provenant des couches hautes du système :
. canaux de trafic TCH (Traffic CHannels) : transmission de la parole à 13 kbits/s (TCH/FS), à 5,6 kbits/s en demi-débit (TCH/HS) ou des données à 12 kbits/s.
. canaux de signalisation SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channel) : débit de 800 bits/s.
L'utilisation du Half Rate (canal TCH demi-débit) permet d'augmenter de manière considérable la capacité du réseau. En effet, deux canaux TCH peuvent « s'installer » sur un seul Time Slot. Néanmoins, l'utilisation de cette fonctionnalité ne peut se faire que par des mobiles dits phase 2.
SACCH
On ne peut pas dédier un canal à un mobile sans effectuer un contrôle constant pour ajuster des paramètres afin de conserver une bonne qualité de communication. Associé aux canaux SCH et SDCCH, le canal de contrôle SACCH (Slow Associated Control CHannel) permet d'en effectuer la supervision (contrôle de puissance, contrôle de la qualité du lien radio, compensation du délai de propagation par le mécanisme d'avance en temps, gestion des mesures des stations voisines).
FACCH
Le canal SACCH permet d'écouler différents types de contrôles ou de signalisation mais son débit étant trop faible, il ne convient pas aux actions rapides comme le handover. Si le canal alloué est un TCH, on suspend la transmission des informations usagers afin d'écouler la signalisation. On obtient donc un autre canal de signalisation, le FACCH (Fast Associated Control Channel), on utilise alors une partie de la capacité. Si le canal alloué est un SDCCH, il peut écouler lui même la signalisation comme par exemple un handover.
Voie balise : « Beacon Channel »
La voie balise permet au mobile de se raccorder en permanence à la station de base la plus favorable. Le mobile mesure la puissance du signal reçu de la voie balise correspondant à une fréquence particulière de l'ensemble des fréquences allouées à cette station. Lors d'une mise sous tension, pendant l'état de veille et pendant une communication, le mobile scrute les voies balises pour connaître les stations avoisinantes susceptibles de l'accueillir en cas de handover. Dans le cadre du GSM, la voie balise d'une station correspond aux deux éléments suivants :
une fréquence-balise sur laquelle est émis en permanence un signal modulé de puissance constante qui permet aux mobiles de faire des mesures en puissance.
canaux de broadcast : ils permettent aux mobiles d'accrocher au système local en acquérant tous les paramètres analogiques et logiques nécessaires.
FCCH
Le canal FCCH (Frequency Correction CHannel) permet aux mobiles de se caler sur la fréquence nominale de la station de base. C'est un signal sinusoïdal parfait de fréquence f0 permettant un calage fin de l'oscillateur du mobile et il est émis environ 20 fois par seconde.
SCH
Le canal SCH (Synchronisation CHannel) fournit au mobile tous les éléments nécessaires à une complète synchronisation avec la station de base et il permet de caractériser la voie balise par un marquage spécial. On peut alors distinguer deux types de synchronisation :
synchronisation fine : détermination du TA (Timing Advance). La BTS effectue une estimation du temps de propagation aller-retour à partir du burst RACH émis par le mobile, et le paramètre TA ainsi calculé sera transmis de manière logique via le canal AGCH.
* synchronisation logique : détermination du FN (Frame Number). La réception du SCH permet donc au mobile de calculer le numéro FN de trame dans l'hypertrame et de se caler sur le slot 0.
BCCH
Le canal BCCH (Broadcast Control CHannel) permet de diffuser des données caractéristiques de la cellule. Il comprend la diffusion régulière d'informations systèmes de plusieurs types, et cette diffusion est plus ou moins rapide suivant la nécessité du mobile. Ces informations déterminent les règles d'accès à la cellule : paramètres de sélection de la cellule, numéro de zone de localisation, les paramètres RACH donnant les règles d'accès aléatoire, indication au mobile des slots à écouter pour détecter les appels diffusés, description de l'organisation du canal CBCH, connaissance des fréquences des voies balises des cellules voisines.
Canaux de contrôle communs : « Common Control Channel »
RACH
Le canal RACH (Random Access CHannel) est un canal de contrôle partagé par un ensemble de mobiles qui leur permet de se signaler au réseau pour effectuer une opération telle que la localisation, l'envoi de messages courts, l'appel normal...
AGCH
Le canal AGCH (Access Grant CHannel) permet d'allouer un canal de signalisation lorsque l'infrastructure reçoit une requête du mobile. On peut alors identifier, authentifier et déterminer la demande du mobile. Le message d'allocation contient le numéro de porteuse et de slot, ainsi qu'une description du saut de Fréquence FH.
PCH
Le canal PCH (Paging CHannel) supporte l'ensemble des appels en diffusion (Paging). Lorsque l'infrastructure désire communiquer avec un mobile, pour un appel ou une authentification par exemple, elle diffuse l'identité du mobile sur un ensemble de cellules et les messages sont transmis sur le canal PCH. La réponse du mobile s'effectue alors de manière aléatoire sur la cellule dans laquelle il se trouve sur le canal RACH.
CBCH
Le canal CBCH (Cell Broadcast CHannel) diffuse aux usagers de la cellule des messages courts comme des informations routières, météo..
3.3 Gestion des fréquences
Principe de réutilisation des ressources
Les ondes radioélectriques sont aujourd'hui le seul moyen que l'on ait trouvé pour rendre possible les communications mobiles. Malheureusement, le spectre radioélectrique est une ressource limitée, déjà largement sollicitée par ailleurs. Le concept de motif cellulaire a donc été introduit pour permettre la réutilisation d'une même fréquence dans des endroits différents.
Le principe de la réutilisation des fréquences repose sur l'atténuation que subissent les ondes radio lorsqu'elles se propagent dans l'atmosphère. Lorsqu'on se trouve assez loin d'un émetteur, le signal envoyé par celui-ci est très faible. On peut alors utiliser la même fréquence que l'émetteur lointain sans crainte d'interférences, le signal local étant beaucoup plus puissant que le signal lointain.
Le GSM utilise donc un réseau maillé, formé d'émetteurs disséminés sur la zone à couvrir. Deux émetteurs voisins utilisent des fréquences différentes, mais des émetteurs éloignés réutilisent les mêmes fréquences selon le principe énoncé plus haut. En pratique, le terrain est "découpé" en petites zones, appelées cellules, caractérisées chacune par une fréquence précise. On réunit un certain nombre de cellules utilisant des fréquences différentes pour former un motif. On répète alors ce motif pour couvrir tout le territoire, permettant ainsi à partir d'un nombre de fréquences limité de mettre en place un grand nombre d'émetteurs.
Exemple de motif à 3 cellules
(les cellules portant le même chiffre utilisent la même fréquence).
Chaque émetteur nécessite une infrastructure complexe pour fonctionner et dialoguer tant avec l'ensemble du réseau qu'avec les téléphones mobiles présents sur sa zone de service. On appelle cette infrastructure "station de base". Un réseau de radiotéléphonie cellulaire se compose donc d'un ensemble de stations de base réparties sur la zone géographique à couvrir.
Code de couleur BSIC
La même fréquence peut être utilisée pour supporter la voie balise de deux stations suffisamment éloignées. Les deux stations ne se brouillent pas sur leur zone de service respective mais un mobile situé à mi-distance peut recevoir alternativement l'une ou l'autre station avec un niveau de champ suffisant. Afin de différencier les deux stations, on utilise le code de couleur BSIC. Le couple (fréquence, BSIC) permet sur un zone donnée de déterminer parfaitement une cellule. A l'intérieur d'un motif, on utilise le même BSIC. Ainsi, les cellules voisines (cellules de fréquences de voie balise identique) ne font pas partie du même motif.
Motif de taille 7, la fréquence indiquée est celle de la voie balise.
Notion sur les brouillages
Comme cela est expliqué auparavant, un des principes de base du GSM est la réutilisation des fréquences. Cela entraîne ainsi des recouvrements de spectre concernant un même canal présent sur deux sites différents. De plus, du fait de la non-perfection des filtres présents à l'émission des ondes électromagnétiques, la bande de 200 kHz séparant deux canaux GSM adjacents n'est pas suffisante pour se prémunir contre les brouillages adjacents.
Ainsi pour se prémunir contre des brouillages internes au réseau, il convient de vérifier les règles suivantes :
* en co-canal : le rapport signal à bruit doit être supérieur à 9 dB.
* en canal adjacent : le rapport signal à bruit doit être supérieur à -9 dB.
Ainsi, lors de la planification des fréquences sur les sites du réseau, les règles élémentaires suivantes sont systématiquement respectées :
* sur une même cellule : les fréquences utilisées doivent être distantes d'au moins 600 MHz, soit trois canaux d'écart.
* sur un même site (dans le cadre de la trisectorisation): les fréquences utilisées doivent être distantes d'au moins 400 MHz, soit deux canaux d'écart.
Saut de fréquence : « Frequency Hopping »
A l'origine, le mécanisme de saut de fréquence fut introduit dans les systèmes militaires. Le réseau SFR utilise aujourd'hui ce procédé. Il consiste pour un émetteur à changer régulièrement de fréquence pour obtenir une diversité de fréquence et ainsi, diversifier ses brouilleurs. L'interface radio du GSM utilise le saut de fréquence lent (SFH, Slow Frequency Hopping) qui consiste à changer de fréquence à chaque émission de message ou de burst. Il permet de lutter contre les évanouissements sélectifs (diversité de fréquence) et apporte une gestion différente en moyennant le niveau d'interférence global sur toutes les porteuses (diversité des brouilleurs).
Saut de fréquence.
En changeant de fréquence à chaque émission de burst ou de message, le mobile est brouillé par des mobiles différents à chaque émission. Ainsi, le pire des cas peut toujours se produire mais seulement de temps en temps. Grâce à l'efficacité du codage et de l'entrelacement, le signal peut être correctement reçu même si le C/I de certains échantillons est inférieur au seuil de la communication. Dans l'exemple ci-dessus, le signal venant de A est interféré par M, N et O. Mais le fait que le C/I moyen soit supérieur au seuil de la communication fait que la communication n'est pas brouillée. Ensuite, on numérote les fréquences de saut de 0 à N-1 et un algorithme, défini dans la norme, génère une suite pseudo-aléatoire de nombres (si) avec 0 <= si <= N-1. Il utilise comme argument le numéro de trame FN (Frame Number), chaque trame TDMA étant repérée par ce compteur dans l'hypertrame, et un paramètre HSN (Hopping Sequence Number) compris lui aussi entre 0 et 63. La BTS précise au mobile un index MAIO (Mobile Allocation Index Offset) compris entre 0 et N-1 lors de l'allocation d'un canal. Le mobile peut alors déterminer la fréquence à utiliser en ajoutant (modulo N) l'index MAIO au nombre si. Le nombre N de fréquences à prendre en compte est précisé pour chaque numéro de slots.
En combinant la technique TDMA et la technique du saut de fréquence FH, on obtient la méthode de base d'accès du GSM : FH/TDMA. Le saut de fréquence n'est pas activé lorsque la charge du réseau est faible mais lorsque le SFH est actif, le canal physique utilise un ensemble de porteuses parcourues selon une séquence de saut. Cette séquence peut être cyclique ou pseudo-aléatoire, et elle est définie sur un ensemble de N (<=64) fréquences attribuées à la BTS. Le saut de fréquence n'est possible qu'au sein d'une même bande, il n'y a pas pour l'instant de combinaisons de fréquences entre GSM 900 et DCS 1800.
On distingue deux types de saut de fréquence :
* le saut de fréquence en bande de base :
Comme d'habitude, à chaque TRX installé sur la cellule, on fait correspondre une fréquence particulière.
C'est le Time Slot considéré qui « saute » sur tous les TRX toutes les trames TDMA.
Le Time Slot 0 de la FU1, qui correspond au BCCH, ne saute pas.
* le saut de fréquence synthétisé:
Le nombre de fréquences sur lesquelles on « saute » est supérieur au nombre de TRX installés sur la cellule. On peut « sauter » sur toute la bande GSM allouée s'il on veut.
C'est le TRX qui change de fréquence toutes les trames TDMA. Le Time Slot ne « saute » plus.
La FU1 supportant le BCCH ne « saute » pas.
3.4 Performance de l'interface Air
Pour juger la qualité de la liaison radio nous avons deux paramètres à notre disposition: le Rxlev et le Rxqual. Ces derniers sont mesurés au niveau de la BTS pour juger la qualité de la liaison montante et au niveau du mobile pour juger la qualité de la liaison descendante.
Niveau reçu RxLev
Le niveau de champ provenant de la BTS mesuré au niveau du mobile s'appelle le Rxlev. Il est mesuré sur 64 niveaux, de 0 à 63 représentants respectivement les puissances de -110 à -48 dBm par pas de 1 dB. On distingue alors le Rxlev Full qui est une mesure sur tous les bursts de la trame sans exception, du Rxlev Sub qui est une mesure sur les bursts effectivement utilisés. Ce dernier cas se présente lorsqu'on économise la puissance du mobile en mettant à profit la possibilité DTX (Discontinuous Transmission). La transmission discontinue consiste à interrompre l'émission pendant les silences de parole pour diminuer l'énergie émise sur la voie radio d'où une réduction de la consommation des batteries des mobiles et une diminution du niveau moyen d'interférences. Il en est de même au niveau de la BTS. A noter que, si un TMA est installé sur le site, les mesures de niveau de champ se font après celui-ci.
Qualité du signal RxQual
La qualité du signal est mesurée via le paramètre Rxqual. Il est obtenu en effectuant une quantification du taux d'erreurs binaires BER (Bit Error Ratio) suivant la correspondance du tableau suivant :
Correspondance RxQual i <> BER
RxQual, niveau de qualité i BER, plage de valeur Valeur représentative
0 BER < 0.2 % 0.14 %
1 0.2 % <= BER < 0.4 % 0.28 %
2 0.4 % <= BER < 0.8 % 0.57 %
3 0.8 % <= BER < 1.6 % 1.13 %
4 1.6 % <= BER < 3.2 % 2.26 %
5 3.2 % <= BER < 6.4 % 4.53 %
6 6.4 % <= BER < 12.8 % 9.05 %
7 12.8 % <= BER 18.10 %
Correspondance entre le niveau de qualité et le taux d'erreur binaire.
Il faut noter que ces mesures de Rxqual se font, sur les deux liaisons, avant le code correcteur d'erreur.
Chapitre 4 Notions de base d'ingénierie d'un site
4.1 Différents materiels utilisés
Le Combiner
Il s'agit d'un dispositif qui accepte plusieurs émetteurs en entrée, les couple et fournit un signal unique en sortie. Cela permet d'émettre plusieurs signaux sur une seule antenne d'émission. On distingue deux types de Combiners suivant la technique de couplage de signaux mis en oeuvre : les Combiners à cavité, les Combiners hybride. Les combiners introduisent des pertes au niveau de la chaîne d'émission.
Le Duplexeur
Le duplexeur se constitue de deux filtres passe-bande dont le premier est centré sur la bande d'émission et le second sur la bande de réception. Il permet d'utiliser une seule et même antenne pour l'émission et la réception. Les pertes introduites par le duplexeur sont d'environ 0.5 dB (au plus 1 dB).
L'antenne
C'est un dispositif passif qui produit du champ électromagnétique. On caractérise une antenne par deux grandeurs qui sont le gain et le diagramme de rayonnement.
4.2 Diversité d'espace
La diversité d'espace est une technique destinée à combattre les évanouissements rapides liés au fading de Rayleigh. La méthode consiste à positionner deux antennes de réception suffisamment espacées pour que les signaux reçus sur chacune d'elles subissent une statistique de fading indépendante. La sélection d'un signal plutôt qu'un autre peut s'effectuer suivant deux méthodes : Sélection de la meilleure réception instantanée ou Combinaison des réceptions. Cette technique permet d'accroître la qualité de service.
4.3 Trisectorisation
Dans le réseau, les sites peuvent être trisectorisés. Sur un même lieu géographique sont regroupées trois stations de base couvrant chacune un secteur repéré par son azimut.
La trisectorisation permet de concentrer l'énergie émise sur une zone bien définie, ce qui permet de maîtriser la couverture radio et de limiter les émissions hors de la zone de service. On peut également concentrer davantage l'énergie en tiltant l'antenne, c'est à dire l'incliner de quelques degrés par rapport au plan vertical.
4.4 Amplificateur TMA
C'est un amplificateur faible bruit. Il existe deux types de TMA qui correspondent à deux types d'ingénierie :
* les TMA FLT : ils présentent une sortie vers l'antenne de réception et une sortie vers le récepteur de la station de base (RX).
* les TMA DPX : ils intègrent un duplexeur en plus; ils présentent une sortie vers l'antenne émission/réception, une sortie vers le récepteur (RX) de la station de base et une sortie vers l'émetteur de la station de base (TX).
Le TMA doit impérativement être placé au plus près de l'antenne de réception. Le gain apporté au niveau de la chaîne de réception par le TMA est d'environ 5 dB. Il s'agit d'un gain en sensibilité de la chaîne de réception.
4.5 Déclaration de voisinage
L'abonné GSM doit pouvoir passer d'une cellule à l'autre sans que sa communication ne soit coupée. Pour que le handover puisse se réaliser, il faut déclarer à l'OMC les cellules voisines de celle ou la communication se déroule. En effet, un HO se prépare de la manière suivante :
. La BTS transmet au mobile le numéro de BCCH de ses cellules déclarées voisines.
. Le mobile effectue des mesures de niveau de champ sur ces fréquences et tente de décoder les BSIC de ces voisines et les transmet à la BTS.
. Le mobile transmet à la BTS ces mesures et les BSIC décodés associés aux BCCH.
. La BTS transmet au BSC ces valeurs.
. Le BSC décide ou non le handover.
Dans cet exemple, les cellules 1 à 7 doivent être déclarées voisines réciproques (entrantes et sortantes) de la cellule 0. Dans certains cas, il sera également nécessaire de déclarer C8 et C9 voisines réciproques.
Enfin, il arrive que la cellule couvre au-delà de sa zone théorique. Dans ce cas :
* si la tache est importante ( C0'), elle sera déclarée voisine réciproque de C8, C11, et C12.
* si la tâche est petite (résurgence R0), il faudra déclarer les relations uniquement sortantes vers C8, C9, C10, C11, afin d'empêcher le mobile de rentrer dans cette résurgence et, si c'est le cas, lui éviter d'y rester piégé.
Chapitre 5 Généralités sur les protocoles et les interfaces
5.1 Définitions
La différence entre protocole et interface est fondamentale.
Une interface est le point de contact entre deux entités contiguës; chaque interface porte différents flux de protocole.
Un protocole vise à établir des règles de signalisation de part et d'autre d'une interface, on entendra donc par protocole des règles d'échanges entre différentes entités.
La spécification d'un protocole est donc distincte de la spécification d'une interface dans la mesure où celle-ci peut être réduite à sa « pile » de protocole.
5.2 Architecture en couches du modèle
Dans le domaine des télécommunications, une méthode très efficace est utilisée pour grouper différentes fonctions : l'architecture OSI.
En effet, le système GSM / DCS a adopté les trois couches basses de cette structure (qui en comporte 7) pour son modèle. L'utilisation d'un tel modèle permet la création d'un système ouvert, accessible à d'autres systèmes utilisant ce type de structure.
A travers la complexité du modèle OSI, on peut dégager deux axes principaux Un axe horizontal qui identifie le fait d'accéder à une extrémité, et un axe vertical qui correspond à la structure en couches.
Structure en couches
5.3 Relais et interconnexions
Fonction relais
L'information n'est pas transmise directement de A vers B mais comme composantes de messages à travers les différentes entités.
Dans le cas de la figure précédente, les messages sont transmis de A à B sans modification à travers le noeud intermédiaire, ce dernier jouant uniquement le rôle de relais.
Fonction d'interconnexion
Contrairement au cas précédent, un premier message transmis par l'entité A déclenche l'envoi, via un équipement d'interconnexion, d'un ou plusieurs messages transportant une part de l'information portée par le message original vers une 3ème destination et ainsi de suite.
Chapitre 6 Piles de protocoles du système GSM
Le réseau GSM est défini à partir de couches de protocoles utilisées au niveau des différentes interfaces :
* l'interface Um (entre le MS et la BTS)
* l'interface Abis (entre la BTS et le BSC)
* l'interface A (entre le BSC et le MSC)
Les interfaces ainsi que les protocoles qu'elles utilisent sont normalisés. Toutefois, les normes de certaines interfaces telles que l'interface Abis ne sont pas toujours respectées par les constructeurs.
Présentation des piles de protocoles sur les différentes interfaces.
La structuration en couches reprend le modèle OSI pour les 3 premières couches:
* couche physique,
* couche liaison de données,
* couche réseau.
La couche physique définit l'ensemble des moyens de transmission et de réception physique de l'information.
Sur l'interface Abis, le transport des informations se fait numériquement. Au niveau de l'interface radio, cette couche est plus compliquée à cause de multiples opérations à effectuer : codage correcteur d'erreur, multiplexage des canaux logiques, mesures radio à effectuer...
La couche de liaison de données permet de fiabiliser la transmission entre deux équipements.
Sur l'interface Abis, cette couche reprend les principales caractéristiques du RNIS; On utilise, pour le support de la signalisation, le protocole LAPD (Link Access Protocol for the D Channel) basé sur le protocole HDLC (numérotation des trames, mécanisme de correction d'erreurs... ).
Sur les interfaces Um et A, on utilise respectivement le LAPDm spécifique au GSM (Link Access Protocol for the D Channel modified) et le MTP niveau 2 (SS7, Signalling System number 7).
La couche réseau permet d'établir, de maintenir et de libérer des circuits commutés (parole ou données) avec un abonné du réseau fixe. Cette couche comprend 3 couches RR, MM et CM, cette dernière couche étant elle-même divisée en 3 sous-couches CC, SS et SMS.
Dans le but d'indiquer à quelle couche ou sous-couche chaque message de niveau 3 se rattache, on introduit un discriminateur de protocole ( PD : Protocol Discriminator ) avec PD = RR, MM...
La sous-couche Radio Ressource (RR) traite l'ensemble des aspects radio. En effet, elle gère l'établissement, le maintien et la libération des canaux logiques. Au niveau du mobile, elle sélectionne les cellules et surveille la voie balise à partir des mesures effectuées par la couche physique. Elle est principalement présente dans la MS et le BSC : les messages transitent entre les deux entités en passant par la BTS mais ne sont pas interprétés par celle-ci. Toutefois, quelques messages sont échangés entre le mobile et la BTS ou entre la BTS et le BSC. Pour cela, la BTS comporte deux entités RR' et RSL permettant de dialoguer respectivement avec l'entité RR de la MS et l'entité RSL du BSC.
La sous-couche Mobility Management (MM) gère l'itinérance. Elle prend donc en charge la localisation, l'authentification et l'allocation du TMSI.
La sous-couche Connection Management (CM) est découpée en trois parties :
* L'entité Call Control (CC) traite la gestion des connexions de circuits
* L'entité Short Message Service (SMS) assure la transmission et la réception des messages courts.
* L'entité Supplementary Services (SS) gère les services supplémentaires.
Les messages des sous-couches CM et MM transitent dans le BSS sans être pris en compte par la BTS et le BSC.
L'interface A utilise les protocoles suivants :
* Le protocole MTP (Message Transfert Part) qui est divisé en trois niveaux (MTP1, MTP2 et MTP3) proches des trois premières couches du modèle OSI (couche physique, couche liaison de données et couche réseau). Son but est de permettre le transport et la distribution fiable des informations de signalisation à travers le réseau et aussi de réagir aux pannes afin d'assurer continuellement la transmission.
* Le protocole SCCP (Signalling Connection Control Part) : ce protocole permet de transporter des informations de signalisation avec ou sans connexion.
* Le BSSAP (BSS Application Part) comprend le BSSMAP et le DTAP. Deux types de messages peuvent être échangés entre le BSC et le MSC : les messages interprétés par le BSC concernent la sous-couche BSSMAP et les autres messages transitant entre le mobile et le MSC sont traités par la sous-couche DTAP (dans ce deuxième cas, le BSC joue le rôle d'un répéteur). Un mécanisme de distribution permet d'aiguiller correctement les messages suivant leur type DTAP ou BSSMAP.
Le protocole BSSMAP (BSS Management Application Part) : cette sous-couche BSSMAP gère les ressources radio. Elle est utilisée pour gérer les HO et les mises à jour de localisation. Les trames BSSMAP sont encapsulées dans la partie "données" des trames SCCP.
Le protocole DTAP (Direct Transfert Application Part) : ce protocole prend en charge les messages CM et MM entre le mobile et le MSC. Le BSC est considéré comme "transparent" : les messages transitent sans modification entre le mobile et le MSC. Les trames DTAP sont encapsulées directement dans des trames SCCP ou bien dans des trames BSSMAP.
Ces différents protocoles sont détaillés dans les pages suivantes.
Les différentes interfaces avec leurs débits respectifs.
Comme le MSC est relié au RTCP qui utilise des débits de 64 kbit/s, l'interface A doit présenter également le même débit pour être compatible.
Or, la capacité des canaux de trafic à l'interface Abis est de 16 kbit/s. Par conséquent, il est impératif de convertir les débits : ceci est réalisé grâce au Transcodeur (TRAU) placé entre le BSC et le MSC. L'interface A est en réalité l'interface qui relie le MSC au TRAU.
Quant au lien qui existe entre le BSC et le TRAU, c'est l'interface ATER (MIC HighWay). Mais avant cette opération, on multiplexe d'abord plusieurs interfaces Abis sur une même interface Ater. Puis, après le passage dans le transcodeur, une interface Ater peut être scindée en 3 interfaces A.
Chapitre 7 Interface ABIS
Présentation des piles de protocoles sur l'interface ABIS.
7.1 Couche Liaisons de données
L'interface Abis se situe entre la BTS et le BSC. La transmission s'effectue sur des liens MIC (Modulation par Impulsion et Codage) à 2 Mbit/s.
La norme de cette interface n'est pas rigoureusement respectée par les constructeurs.
Sur l'interface Abis, la signalisation peut avoir plusieurs origines et plusieurs destinations, il y a donc nécessité de distinguer les messages échangés entre la BTS et le BSC et la signalisation directement échangée entre la station mobile et le BSC.
L'interface Abis supporte des messages de différents types :
* Messages supérieurs qui sont échangés entre le mobile et le réseau.
* Messages de supervision et de maintenance de la BTS.
* Messages internes de liaison de données BTS - BSC.
Tous ces messages sont discriminés dans la couche 2 en utilisant les points d'accès au service SAPI. Les différentes valeurs du SAPI utilisées sur l'interface Abis sont 0 pour la signalisation, 62 pour l'administration et 63 pour la gestion de la liaison.
Chaque TRX à l'intérieur d'une BTS correspond à un ou plusieurs liens de signalisation. Ces liens sont distingués par des TEI (Terminal Equipement Identities), ainsi les trames LAPD sont échangées entre un TRX particulier et le BSC.
7.2 Messages de niveau 3
Sur l'interface Abis, il est primordial de différencier les messages échangés entre la station mobile et le BSC d'une part, et les messages échangés directement entre la BTS et le BSC d'autre part.
Tous les messages RR sont ainsi « portés » vers le BSC (ou vers la station mobile) par des messages correspondant au protocole RSL.
Lors de remontés de mesures faites par la station mobile, les différentes entités mises en jeu sont la MS, la BTS et le BSC.
Le message RR Measurement Report transitant par la BTS est transparent pour celle-ci car elle n'en fait aucune interprétation. Elle ajoute les mesures qu'elle a réalisées sur la liaison montante puis construit le message RSL Measurement Result comportant l'ensemble des mesures: liaison montante et descendante, ce dernier étant envoyé au BSC. On parle alors du processus d'encapsulation des mesures réalisées par le mobile envoyées au BSC.
Les deux figures ci-dessous illustrent respectivement l'interprétation faites par le logiciel de post-traitement Opti-BSS et l'analyseur de protocole K1205 :
Message « RSL Measurement Result » envoyé au BSC sur l'interface Abis.
Cheminement des remontés de mesures observées sur le K1205.
Chapitre 8 Interface A
L'interface A se situe entre le sous-système radio (BSS) et le sous-système réseau (NSS). A travers cette interface transitent de nombreux messages de signalisation. Cette signalisation s'appuie sur les protocoles des couches MTP et SCCP du système de signalisation n°7 du CCITT, et aussi sur les protocoles BSSMAP et DTAP pour les couches les plus hautes qui sont propres à la norme GSM.
Par conséquent, le MSC n'est pas seulement relié aux différents BSC par des circuits de parole mais également par des canaux sémaphores directs : des Intervalles de Temps (Time Slot) sont donc réservés à la signalisation.
8.1 Le système de signalisation n°7 du CCITT
Ce système de signalisation par canal sémaphore normalisé par le CCITT permet de séparer la signalisation de la transmission en faisant transiter la signalisation sur un canal spécifique. De ce fait, on peut échanger des messages de signalisation sans établissement réel de circuit de communication.
Les avantages de la signalisation sémaphore sont :
* La possibilité de transférer de la signalisation pure indépendamment de l'établissement d'un circuit.
* La réduction des délais de transfert de la signalisation et diminution du temps d'occupation inefficace des circuits.
* La possibilité de transférer la signalisation à fort débit pendant une communication sans que l'utilisateur soit gêné.
* La possibilité de réserver les circuits pour un appel seulement lorsque le correspondant demandé est réellement joignable.
8.2 Le réseau sémaphore SS7
Toutes les liaisons sémaphores forment un réseau pour le transfert de la signalisation. Ce réseau possède des commutateurs de paquets et des équipements terminaux qui sont les centraux téléphoniques.
Le réseau sémaphore permet à deux centraux de pouvoir s'échanger à tout moment des messages de signalisation indépendamment des circuits établis entre eux. Chaque central est relié à un terminal sémaphore qui agit comme source de messages de signalisation pour permettre le dialogue avec les autres centraux : cette fonction est appelée "Point Sémaphore" (PS). Le réseau sémaphore permet de faire communiquer les PS entre eux grâce à des commutateurs de paquets appelés "Points de Transfert Sémaphores" (PTS).
Le réseau sémaphore.
Le réseau français utilise deux modes de fonctionnement :
* le mode associé : deux points sémaphores sont directement reliés par une liaison sémaphore, et la commande des circuits entre ces points sémaphores se fait via cette liaison sémaphore.
* le mode quasi-associé : deux points sémaphores ne sont pas directement reliés par une liaison sémaphore, et les messages SS7 concernant les circuits entre ces deux PS transitent via un ou plusieurs PTS prédéterminés.
8.3 Architecture du SS7
La structure en couches basses du SS7 est proche du modèle OSI. Par ailleurs, nous ne détaillerons que les quatre premières couches de protocoles (MTP1, MTP2, MTP3, SCCP) car ce sont les seules couches reprises par le système GSM à l'interface A.
Le MTP (Message Transfert Part)
Le MTP offre un service de transfert fiable des messages de signalisation. Il est divisé en trois niveaux (MTP1, MTP2, MTP3) proches des trois premières couches du modèle OSI :
* MTP1 : couche physique
* MTP2 : procédures d'acheminement des données sur une liaison
* MTP3 : routage et contrôle
Le MTP1 définit les caractéristiques physiques, électriques et fonctionnelles d'une liaison physique (= liaison sémaphore de données dans le vocabulaire SS7) et les moyens d'y accéder. On utilise le plus souvent des conduits numériques à 64 kbit / s.
Le MTP2 définit les fonctions et les procédures de transfert des messages de signalisation de façon à fournir un transfert fiable entre deux points. Ce niveau est comparable à la couche liaison de données du modèle OSI. Les données échangées sont des "trames sémaphores". Le protocole utilisé contient un mécanisme de contrôle du flux, de détection d'erreur et de correction par retransmission. Par conséquent, le MTP2 comporte un mécanisme de surveillance du taux d'erreur sur la liaison sémaphore.
Le MTP3 définit les fonctions et les procédures de transfert de messages entre les noeuds du réseau sémaphore (PS ou PTS). Il comprend deux fonctions : orientation des messages de signalisation et gestion du réseau sémaphore.
- la fonction d'orientation réalise le routage des messages entre l'expéditeur et le destinataire à travers le réseau sémaphore SS7.
- la fonction de gestion sémaphore permet d'établir des actions et procédures nécessaires pour assurer le service de signalisation et de réagir en cas de défaillance du réseau sémaphore afin que le fonctionnement du SS7 se déroule toujours dans les conditions normales. Par exemple, des canaux sémaphores de secours peuvent être utilisés pour détourner le trafic de signalisation. Pour détecter les défaillances, le MTP3 utilise les informations de surveillance provenant du niveau 2.
Le SCCP (Signalling Connection Control Part)
Le SCCP offre deux services supplémentaires par rapport au MTP :
- l'échange de signalisation pure au niveau international : le SCCP permet de réaliser l'interconnexion de réseaux et l'adressage au sein de plusieurs réseaux.
- le service orienté connexion : le SCCP permet d'offrir des services avec connexion non présents dans le MTP.
En effet, il offre quatre types de services (deux sont sans connexion et les deux autres sont avec connexion) et le système GSM exploite deux d'entre eux : le service sans connexion sans garantie de séquencement (classe 0) et le service orienté connexion sans contrôle de flux (classe 2). On retrouve ce dernier service au niveau de l'interface A.
Le service orienté connexion est réalisé grâce à trois types de messages :
- des messages d'établissement de connexion :
"CONNECTION REQUEST", CR
"CONNECTION CONFIRM", CC
"CONNECTION REFUSED", CREF
- des messages destinés à transférer les données :
"DATA FORM 1", DT1
- et ceux de fermeture de connexion :
"RELEASED", RLSD
"RELEASE COMPLETE", RLC.
Il est intéressant de remarquer que certains messages dont "CONNECTION REQUEST" et "CONNECTION CONFIRM" peuvent transporter des données des couches supérieures.
Dans ce qui suit, au niveau de l'interface A, le SCCP demandeur et le SCCP demandé sont soit le SCCP du BSC et le SCCP du MSC, soit l'inverse.
Phase de connexion :
Un SCCP demandeur (du BSC ou du MSC) envoie un message "CR" au SCCP demandé (du MSC ou du BSC) pour lui demander d'établir une connexion sémaphore. A la réception du message "CR", le SCCP demandé engage, s'il le peut, l'établissement de la connexion sémaphore.
Si l'établissement de la connexion a été bien exécuté, le SCCP demandé informe le SCCP demandeur par le message "CC". Au contraire, si le SCCP demandé refuse d'établir la connexion, un message "CREF" est généré.
Phase de transfert de données :
Un message DT1 peut être envoyé par l'une ou l'autre des extrémités d'une connexion sémaphore établie, et sert à faire passer de façon transparente des données utilisateur entre deux noeuds SCCP.
Phase de déconnexion :
Lorsque d'un SCCP veut libérer la connexion sémaphore, il envoie un message "RLSD" à l'autre SCCP. Après la réception de ce message, un autre message "RLC" est généré dans l'autre sens pour confirmer le bon déroulement de la procédure de déconnexion.
8.4 Les couches hautes du réseau GSM à l'interface A
Au dessus des couches MTP et SCCP, on trouve le BSSAP (BSS Application Part). Cette couche est formée de deux sous-couches : la sous-couche BSSMAP et la sous-couche DTAP.
Entre le BSC et le MSC transitent deux types de messages :
- les messages interprétés par le BSC qui ont trait à la gestion des ressources radio (sous-couche BSSMAP)
- et les autres messages qui sont en fait échangés entre le mobile et le MSC (sous-couche DTAP) : dans ce deuxième cas, le BSC joue le rôle de répéteur. Une "fonction de distribution" permet d'orienter les messages vers la couche BSSMAP ou DTAP.
Le BSSMAP (BSS Management Application Part)
Le protocole BSSMAP spécifie le dialogue pour les messages véritablement générés ou interprétés par le BSC. Ses messages peuvent être classés en deux catégories : ceux qui concernent un BSC et ceux qui sont liés à un canal radio dédié particulier.
Pour la première catégorie, les messages générés utilisent le SCCP en mode non connecté (classe 0) et concernent :
- la mise hors service de circuits de parole entre le BSC et le MSC
- l'interrogation des ressources disponibles au BSC
- la réinitialisation du MSC ou du BSC
- l'appel en diffusion d'un mobile sur une zone de localisation donnée
- la suggestion faite au BSC de transférer si possible des communications depuis une cellule désignée vers une liste donnée de cellules.
Pour la seconde catégorie, les messages envoyés utilisent le SCCP en mode connecté (classe 2) et concernent :
- la remise au MSC du message initial du mobile émis sur canal radio dédié
- l'allocation d'un canal radio TCH
- l'exécution d'un handover
- le passage en mode chiffré
- la libération du canal radio dédié
Le DTAP (Direct transfert Application Part)
Le protocole DTAP gère des échanges de messages entre le mobile et le MSC passant par le BSC. Ce dernier réémet tous les messages reçus sans aucune interprétation. Le DTAP utilise le SCCP en mode connecté (classe 2).
Un message DTAP appartient à l'une des classes suivantes :
- RR (Radio Ressource management)
- MM (Mobility Management)
- CM (Call Management). Cette couche est découpée en trois sous-couches : CC (Call Control), SMS (Short Message Service) et SS (Supplementary Services).
RR - Gestion des ressources radio :
La couche RR permet l'établissement, le maintien et la libération de canaux radio dédiés. Elle gère également le handover et le chiffrement. Cette couche est présente au niveau du mobile et du BSC. Toutefois, deux messages peuvent apparaître au MSC (transitant à l'interface A) :
- le message "RR Handover Command" est transmis par le MSC dans le message "BSSMAP Handover Command" ou par le BSC cible dans le message "BSSMAP Handover Request Acknowledge .
- le message "RR Paging Response" émis par le mobile et encapsulé dans le message "BSSMAP Complete Layer 3 Information" arrive jusqu'au MSC. Ce message est la réponse du mobile à l'appel du MSC (message "Paging").
MM - Gestion de l'itinérance :
La couche MM permet de remplir les fonctions suivantes :
- la localisation de l'abonné
- l'authentification
- l'allocation de TMSI (identifiant temporaire de l'abonné mobile)
- l'établissement d'une transaction CM d'origine MS
- la synchronisation pour les niveaux supérieurs
- la surveillance de l'activité de l'infrastructure
- le rétablissement de communication
Localisation de l'abonné
Lorsque le mobile est en veille, le réseau mémorise son emplacement en termes de zone de localisation. Les procédures engendrées sont :
- mise à jour de localisation, périodique ou normale,
- IMSI Attach, invoqué lors de l'activation de la station mobile,
- IMSI Detach signalant la mise hors tension du mobile ou le retrait de la carte SIM.
L'échange relatif à la mise à jour de localisation (et IMSI Attach) est illustré sur la figure suivante. L'IMSI Detach se fait par l'envoi du message MM_IMSIDetachIndication.
Mise à jour de localisation.
Authentification
Le rôle de la procédure d'authentification est double :
- vérifier que l'identité fournie par le mobile est correcte,
- transmettre au mobile la clé de chiffrement.
Les messages impliqués sont :
MM_AuthenticationRequest,
MM_AuthenticationResponse,
MM_AuthenticationReject.
Allocation de TMSI
L'intérêt d'une identité temporaire est de protéger l'abonné contre l'identification et localisation par un intrus.
Le TMSI est une identité locale restreinte à une zone de localisation.
L'allocation de TMSI peut être accomplie par la procédure dédiée à cet effet ou implicitement par d'autres procédures utilisant le TMSI (mise à jour de localisation, établissement d'appel).
Le réseau lance la procédure en envoyant le message MM_TMSIReallocation Command contenant le nouveau couple (LAI, TMSI). L'opération est acquittée par le message MM_TMSIReallocationComplete.
Etablissement d'une transaction
L'établissement d'une transaction CM d'origine MS consiste en un message précurseur MM_CMServiceRequest, envoyé par le mobile, et une séquence de signalisation orchestrée par le MSC. Ce dernier peut demander l'authentification de l'abonné et le passage en mode chiffré. La réponse positive à la demande du MS est réalisée par l'envoi d'un MM_CMServiceAccept. Le MSC peut refuser l'accès au service CM par l'intermédiaire du MM_CMServiceReject. Du fait que le message MM_CMServiceRequest ne contient pas de référence de la connexion CM à établir, puisque l'identifiant de transaction n'est présent que dans les messages CM, le lancement d'une seconde procédure d'établissement générique avant l'aboutissement de la première est interdit.
Synchronisation pour les niveaux supérieurs
Cette fonction veille à ce qu'il n'y ait pas de procédure d'établissement de connexion CM entreprise pendant l'exécution d'une procédure de mise à jour de localisation (avant l'arrivée du MM_LocationUpdatingAccept).
Surveillance de l'activité de l'infrastructure
La couche MM vérifie continûment s'il y a une transaction CM en cours sur les canaux dédiés établis. Dans le cas contraire, si l'infrastructure ne se manifeste pas avant un certain temps (timer), le mobile relâche les canaux et retourne en état veille.
Rétablissement de communication
Cette procédure est similaire au handover déclenché par le mobile dans d'autres systèmes de radiocommunications. Elle permet de reprendre la communication par suite d'une perte due par exemple à une tentative de handover trop lente.
CM - Gestion des communications :
La couche CM est divisée en trois sous-couches :
- CC (Call Control) : gestion d'établissement d'appel
- SMS (Short Message Service) : gestion des messages courts
- SS (Supplementary Services) : gestion des services supplémentaires
La gestion des communications (Communication Management) se chargent des fonctions suivantes :
- gestion des attributs d'une communication
- établissement du circuit entre demandeur et demandé
- gestion des services à l'alternat (basculement parole/données)
- gestion des appels multiples (conférence, mise en instance/attente de l'appel)
- libération de l'appel
- gestion des services supplémentaires
- communication des messages courts
Contrôle des appels
CC est la partie de la couche CM qui s'occupe du traitement des erreurs. Elle gère les procédures suivantes :
- établissement d'appel
- signalisation durant l'état actif de la communication
- libération d'appel.
Echange de messages lors de l'établissement d'un appel sortant / entrant
Libération de la communication
Messages courts (service SMS)
Le service de messages courts point-à-point permet la transmission de quelques dizaines de caractères entre une station mobile GSM et une entité munie du protocole approprié. Le transfert se fait par l'intermédiaire d'un serveur, appelé Service Centre (SMS-SC). Tout PLMN est capable de réaliser le service de messages entrants (Mobile Terminating SMS). Par contre, certains MSC n'assurent pas la transmission de messages sortants (Mobile Originating SMS). Quant à l'abonné, ces services ne lui sont disponibles que s'il dispose d'un appareil mobile supportant les fonctionnalités associées (et qu'il en soit souscripteur).
Gestion des services supplémentaires
Les services supplémentaires apportent une valeur ajoutée au service téléphonique de base. Ils permettent aux abonnés un certain niveau de contrôle sur l'établissement des appels (ex : renvoi d'appel, interdiction d'appel) ou bien une meilleure gestion des communications (ex: indication de taxation, mise en instance/attente d'appel).
Chapitre 9 Quelques références...
Plusieurs références:
* La bible du GSM: Réseaux GSM-DCS, aux éditions HERMES. Ce livre est la référence en GSM. Il est très complet. On y trouve tout.
* Un livre qui m'a été très utile: GSM Réseau et Services, aux éditions MASSON. Ce livre présente la norme européenne de transmission numérique: GSM. Il décrit les divers aspects de cette technologie. Très clair.
* Un autre: Les systèmes de télécoms mobiles, aux éditions HERMES, qui couvrent les systèmes de deuxième et troisième générations.
* Encore un autre: The GSM System for Mobile Communications, de Michel Mouly et Marie-Bernadette Pautet, qui est aussi une bible du GSM et une référence tres complète.
Petit cours sur les masques de sous réseau
1 Introduction
1.1 Objet de ce cours
Dans le monde des réseaux, on utilise souvent des termes inintelligibles pour le commun des mortels n'ayant pas une formation informatique poussée. Les masques en font partie, d'autant plus que leur compréhension et leur utilisation n'est pas toujours simple (au départ ;-) ) Le but de ce cour
Chapitre 2 Architecture d'un réseau radiomobile GSM
Chapitre 3 Les caractéristiques de l'interface Air
Chapitre 4 Notions de base d'ingénierie d'un site
Chapitre 5 Généralités sur les protocoles et les interfaces
Chapitre 6 Piles de protocoles du systeme GSM
Chapitre 7 Interface ABIS
Chapitre 8 Interface A
Chapitre 9 Quelques références...
L'origine du GSM remonte à l'année 1982. Alors qu'apparaissent les premiers services commerciaux de radiotéléphone cellulaire un peu partout en Europe et aux Etats-Unis, la CEPT (Conférence Européenne des Postes et Télécommunications) confie à un groupe de travail appelé Groupe Spécial Mobiles la tâche de rédiger les spécifications d'un système pan européen de communication basé sur des téléphones mobiles. La bande des 900 MHz, réservée depuis 1978 par la Conférence Administrative Mondiale des Radiocommunications (WARC) est choisie. Le GSM livre une première série de spécifications (dite "phase 1") en 1990, une deuxième série étant à l'étude pour ajouter de nouvelles fonctions au produit GSM.
Ce nom s'internationalise très vite (GSM devient "Global System for Mobile communications"), la norme étant adoptée comme standard de fait dans de nombreux pays. Le GSM devient alors le premier système permettant à l'abonné d'utiliser son téléphone cellulaire à l'étranger. La notion d'itinérance (roaming) est née.
Les objectifs du GSM reprennent et prolongent ceux des précédents systèmes de téléphonie mobile :
>> Grande capacité de desserte d'abonnés.
>> Utilisation efficace du spectre.
>> Disponibilité très large.
>> Adaptabilité à la densité du trafic.
>> Possibilité d'accès à partir de portables (en voiture) et de portatifs (piétons).
>> Services téléphoniques ordinaires et services spéciaux.
>> Qualité de service téléphonique.
>> Prix abordable.
1.1 Concept cellulaire
Un système de radiotéléphonie utilise une liaison radioélectrique entre le terminal portatif et le réseau téléphonique. La liaison radio entre le téléphone mobile et le réseau doit être de qualité suffisante, ce qui nécessite la mise en place d'un ensemble de stations de base (BTS) sur l'ensemble du territoire que l'on souhaite couvrir, de telle sorte que le terminal soit toujours à moins de quelques kilomètres de l'une d'entre elles.
Ce que l'on appelle une cellule, c'est la surface sur laquelle le téléphone mobile peut établir une liaison avec une station de base déterminée. Le principe consiste à diviser une région en un certain nombre de cellules desservies par un relais radioélectrique (la BTS) de faible puissance, émettant à des fréquences différentes de celles utilisées sur les cellules voisines. Ces cellules doivent être contiguës sur la surface couverte. Evidemment, le nombre de fréquences accordées au système GSM étant restreint, l'opérateur est obligé de réutiliser les mêmes fréquences sur des cellules suffisamment éloignées de telle sorte que deux communications utilisant la même fréquence ne se brouillent pas.
Ensemble de cellules
L'hexagone est la forme régulière qui ressemble le plus au cercle et que l'on peut juxtaposer sans laisser de zones vides. Toutefois, la réalité du terrain est bien différente de ce modèle théorique, notamment en zone urbaine où de nombreux obstacles empêchent une propagation linéaire.
1.2 Concept de mobilité
La mobilité des abonnés dans un réseau cellulaire a deux conséquences :
* Pour établir une communication, il faut savoir dans quelle cellule l'abonné se trouve. C'est la fonction de gestion de localisation.
* Il doit y avoir continuité de la communication lorsque l'abonné passe d'une cellule à une autre (transfert inter-cellulaire, communément appelé handover).
Si la mobilité d'un abonné s'étend à plusieurs pays, des accords de roaming doivent alors être passés entre les différents opérateurs pour que les communications d'un abonné étranger soient traitées et aboutissent.
1.3 Sécurité de la communication
Pour éviter les écoutes frauduleuses des communications, le système GSM utilise les moyens suivants :
>> Authentification de l'abonné avant l'accès à une communication.
>> L'utilisation d'une identité temporaire (TMSI = Temporary Mobile Station Identity).
>> Le cryptage des communications (chiffrement).
Chapitre 2 Architecture d'un réseau radiomobile GSM
Un réseau GSM est constitué de trois sous-systèmes :
» le sous-système Radio BSS Base Station Sub-system
» le sous-système Réseau NSS Network and Switching Sub-system
» le sous-système d'exploitation OSS Operation Support Sub-system
Ainsi, on peut ainsi représenter schématiquement un réseau radiomobile de la manière suivante :
2.1 Le sous-système radio BSS (Base Station Sub-system)
Sa fonction principale est la gestion de l'attribution des ressources radio, indépendamment des abonnés, de leur identité ou de leur communication. On distingue dans le BSS :
La station de base BTS (Base Transceiver Station)
Elle permet le dialogue avec le mobile sur l'interface Air (aussi appelée interface Radio ou interface Um). Ses principales fonctions sont :
» Contrôle de la couche physique (couche 1 de l'interface radio) : transmission de la parole et des données, transmission discontinue, ordres de contrôle de puissance et de handover...
» Mesures des interférences sur les canaux non alloués à des communications (idle channels).
» Mesures sur la liaison montante (uplink), servant à l'algorithme de décision du handover.
» Calcul du Timing Advance (avance de temps) pour la synchronisation temporelle, selon la distance qui sépare la BTS du mobile.
» Détection des demandes d'accès des mobiles reçus sur le canal de contrôle commun (RACH).
» Détection des messages de handover access (HO ACCESS).
Le contrôleur de station de base BSC (Base Station Controller)
Il assure le contrôle d'une ou de plusieurs BTS. La plupart des fonctions intelligentes de BSS sont implantées à son niveau, notamment les fonctions de gestion des ressources radioélectriques :
» L'allocation des canaux.
» La gestion de la configuration des canaux.
» Le traitement des mesures et la décision de handovers intra BSC.
2.2 Le sous-système réseau NSS (Network Station Sub-system)
Il assure principalement les fonctions de commutation et de routage. C'est donc lui qui permet l'accès au réseau public RTCP ou RNIS. En plus des fonctions indispensables de commutation, on y retrouve les fonctions de gestion de la mobilité, de la sécurité et de la confidentialité qui sont implantées dans la norme GSM.
Le MSC (Mobile Services Switching Center)
C'est la partie centrale du NSS. Il prend en charge l'établissement des communications de et vers les abonnés GSM. Du fait de la mobilité, l'implantation de la seule fonction de commutation n'est pas suffisante. Le MSC gère la mobilité et les fréquences et enregistre la localisation des abonnés visiteurs (base de données VLR).
Le HLR (Home Location Register)
C'est la base de données qui gère les abonnés d'un PLMN donné. Elle contient toutes les informations relatives à l'abonnement et aux droits d'accès. D'autre part, le HLR est une base de données de localisation. Il mémorise pour chaque abonné le VLR où il est enregistré.
Le VLR (Visitor Location Register)
C'est la base de données qui gère les abonnés présents dans une certaine zone géographique. Ces informations sont une copie de l'original conservé dans le HLR.
L'AuC (Authentication Center)
Il mémorise pour chaque abonné une clé secrète utilisée pour authentifier les demandes de services et pour le chiffrement des communications. Un AuC est en général associé à chaque HLR.
2.3 Le sous-système opérationnel OSS (Operating Sub-System)
Il assure la gestion et la supervision du réseau. C'est la fonction dont l'implémentation est laissée avec le plus de liberté dans la norme GSM. La supervision du réseau intervient à de nombreux niveaux :
» Détection de pannes.
» Mise en service de sites.
» Modification de paramétrage.
» Réalisation de statistiques.
Dans les OMC (Operation and Maintenance Center), on distingue l'OMC/R (Radio) qui est relié à toutes les entités du BSS, à travers les BSC, l'OMC/S (System) qui est relié au sous système NSS à travers les MSC. Enfin l'OMC/M (Maintenance) contrôle l'OMC/R et l'OMC/S.
2.4 Les interfaces
L'interface Um
C'est l'interface entre les deux sous systèmes MS (Mobile Station) et le BSS (Base Station Sub-system. On la nomme couramment « interface radio » ou « interface air ».
L'interface Abis
C'est l'interface entre les deux composants du sous système BSS : la BTS (Base Station Transceiver) et le BSC (Base Station Controler).
L'interface A
C'est l'interface entre les deux sous systèmes BSS (Base Station Sub System) et le NSS (Network Sub System).
Chapitre 3 Les caractéristiques de l'interface Air
3.1 Partage des ressources radio
La bande radio représente la ressource rare et le premier choix architectural fût le découpage du spectre alloué dans un plan temps / fréquence pour obtenir des canaux physiques pouvant supporter une communication téléphonique.
Multiplexage fréquenciel (FDMA)
Le GSM opère dans la bande des 900 MHz, où 2 fois 25 MHz de bande ont été alloués. Les deux parties correspondent au sens montant et au sens descendant de la liaison (uplink et downlink). La largeur des canaux étant de 200 kHz, on obtient 124 canaux duplex qui ont été répartis entre les deux opérateurs GSM français : SFR et Itinéris (France Télécom). La SFR utilise les canaux 63 à 124. Les bandes des deux liaisons ont en outre été séparées par 20 MHz, ce qui porte à 45 MHz l'écart duplex. Sur une bande, on émet des signaux modulés autour d'une fréquence porteuse qui siège au centre de la bande.
Multiplexage temporel (TDMA)
Pour le GSM, chaque porteuse est divisée en intervalles de temps (IT) appelés slots. La durée d'un slot a été fixée à Tslot = (75/130) ms = 0.5769 ms. Un slot accueille un élément de signal radioélectrique appelé burst.
A chaque time slot, on associe un nombre connu par la station de base (BS) et le mobile (MS). Le numérotage des slots est cyclique de durée 3,5 heures. L'accès TDMA (Time Division Multiple Access) permet de partager entre différents utilisateurs une bande de fréquence donnée et, sur une même porteuse, les slots sont regroupés par paquet de 8 : Ttdma = 8.Tslot = 4,6152 ms. Chaque utilisateur utilise alors un slot de la trame TDMA.
On considère aussi les multitrames, les supertrames et les hypertrames, fonctions de la trame TDMA et définies comme telles : hypertrame = 2048 supertrames = 2048*51 multitrames = 2048*51*26 trames TDMA.
Compensation du temps de propagation aller - retour : Timing Advance (TA) :
Les utilisateurs d'un système cellulaire sont à des distances variables de leur station de base et subissent des délais de propagation tp différents (à titre indicatif 30 km sont parcourus en 100µs). Dans le contexte TDMA, il est ainsi nécessaire que deux mobiles qui utilisent deux slots consécutifs n'envoient pas des bursts qui se chevauchent au niveau du récepteur de la BTS. Le délai de propagation peut atteindre quelques centaines de ms (très faible par rapport aux systèmes satellitaires) mais on ne peut pas le négliger car dans le cadre du GSM certaines cellules atteignent 35 km.
La solution est de compenser ce délai avec le paramètre d'avance en temps TA (Time Advance) correspondant au temps de propagation aller-retour (2.tp). Pour illustrer, on considère deux mobiles dans la même cellule : le premier mobile MS1 est en limite de cellule alors que le second mobile MS2 se trouve près de la BTS. On suppose que les deux mobiles utilisent des slots consécutifs sur la même porteuse : MS1 émet sur le slot 1 et MS2 émet sur le slot 2.
En l'absence de compensation de temps de propagation tp, les bursts émis par chacun des mobiles MS1 et MS2 se chevaucheront au niveau de la réception de la BTS :
En effectuant une gestion du paramètre TA, les bursts émis par les deux mobiles ne se chevauchent plus. Le mobile le plus éloigné avance l'émission de chacun de ces slots d'une durée tp par rapport à l'instant de début de slot, c'est à dire 2tp=TA.
Bilan
Avec 62 canaux et 8 intervalles de temps par canal, on a donc un système qui allie un multiplex fréquentiel (FDMA - Frequency Division Multiple Access) et un multiplex temporel (TDMA - Time Division Multiple Access). Un canal physique est donc défini par :
. un numéro de Time Slot TS (dans une trame TDMA).
. une fréquence (ou une loi de saut de fréquence si le saut de fréquence lent est implanté).
Ainsi, il apparaît de manière évidente que la capacité d'un réseau GSM est limitée par son nombre de fréquences. C'est pourquoi la réutilisation de ces dernières est nécessaire.
La modulation choisie pour le GSM est la modulation GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying : modulation avec porteuse à minimum de saut de phase, gaussienne pour "arrondir" les angles des changements).
Le codage de la parole peut se faire se faire de manière traditionnelle ou avec l'utilisation de l'EFR (Enhanced Full Rate) qui correspond à un logiciel de codage de la parole plus évolué que le précédent. C'est le son haute résolution.
Un mobile accède donc au réseau de manière discontinue dans le temps. Il envoie des rafales d'informations (appelés Burst), d'une durée exacte de 156,25 bits, occupant toujours un même intervalle de temps (Time Slot) sur un canal. L'accès au canal montant et au canal descendant se fait toujours de façon décalée: il y a 2 slots de décalage entre le sens uplink et le sens downlink. Ce décalage permet notamment un filtrage duplex plus simple. On a donc 4 time slots qui permettent au mobile de faire des mesures et scruter les canaux des cellules adjacentes dans une phase appelée "monitor".
3.2 Canaux logiques
L'interface radio représente la partie délicate de la chaîne de transmission et le système doit faire face aux différents problèmes du lien mobile-réseau au niveau de la propagation (atténuation, évanouissements, interférences...), mais aussi au niveau de la gestion du réseau : il est nécessaire d'avoir des fonctions de contrôle pour que le mobile se rattache à la station de base la plus favorable, pour établir et surveiller le déroulement d'une communication ou encore assurer le handover. L'utilisation de canaux logiques va permettre une utilisation efficace des ressources radio et une qualité de service satisfaisante. Parmi ces canaux on distingue les canaux dédiés (TCH et SDCCH), c'est à dire alloué à un mobile. Les autres canaux sont des canaux partagés entre mobiles.
Canaux dédiés : « Dedicated Channel »
Sur un canal physique on peut placer soit un TCH avec son SACCH associé, soit 8 canaux SDCCH avec leurs SACCH associés : SDCCH »TCH / 8.
TCH et SDCCH
On distingue les canaux dédiés transportant des informations utilisateur ou provenant des couches hautes du système :
. canaux de trafic TCH (Traffic CHannels) : transmission de la parole à 13 kbits/s (TCH/FS), à 5,6 kbits/s en demi-débit (TCH/HS) ou des données à 12 kbits/s.
. canaux de signalisation SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channel) : débit de 800 bits/s.
L'utilisation du Half Rate (canal TCH demi-débit) permet d'augmenter de manière considérable la capacité du réseau. En effet, deux canaux TCH peuvent « s'installer » sur un seul Time Slot. Néanmoins, l'utilisation de cette fonctionnalité ne peut se faire que par des mobiles dits phase 2.
SACCH
On ne peut pas dédier un canal à un mobile sans effectuer un contrôle constant pour ajuster des paramètres afin de conserver une bonne qualité de communication. Associé aux canaux SCH et SDCCH, le canal de contrôle SACCH (Slow Associated Control CHannel) permet d'en effectuer la supervision (contrôle de puissance, contrôle de la qualité du lien radio, compensation du délai de propagation par le mécanisme d'avance en temps, gestion des mesures des stations voisines).
FACCH
Le canal SACCH permet d'écouler différents types de contrôles ou de signalisation mais son débit étant trop faible, il ne convient pas aux actions rapides comme le handover. Si le canal alloué est un TCH, on suspend la transmission des informations usagers afin d'écouler la signalisation. On obtient donc un autre canal de signalisation, le FACCH (Fast Associated Control Channel), on utilise alors une partie de la capacité. Si le canal alloué est un SDCCH, il peut écouler lui même la signalisation comme par exemple un handover.
Voie balise : « Beacon Channel »
La voie balise permet au mobile de se raccorder en permanence à la station de base la plus favorable. Le mobile mesure la puissance du signal reçu de la voie balise correspondant à une fréquence particulière de l'ensemble des fréquences allouées à cette station. Lors d'une mise sous tension, pendant l'état de veille et pendant une communication, le mobile scrute les voies balises pour connaître les stations avoisinantes susceptibles de l'accueillir en cas de handover. Dans le cadre du GSM, la voie balise d'une station correspond aux deux éléments suivants :
une fréquence-balise sur laquelle est émis en permanence un signal modulé de puissance constante qui permet aux mobiles de faire des mesures en puissance.
canaux de broadcast : ils permettent aux mobiles d'accrocher au système local en acquérant tous les paramètres analogiques et logiques nécessaires.
FCCH
Le canal FCCH (Frequency Correction CHannel) permet aux mobiles de se caler sur la fréquence nominale de la station de base. C'est un signal sinusoïdal parfait de fréquence f0 permettant un calage fin de l'oscillateur du mobile et il est émis environ 20 fois par seconde.
SCH
Le canal SCH (Synchronisation CHannel) fournit au mobile tous les éléments nécessaires à une complète synchronisation avec la station de base et il permet de caractériser la voie balise par un marquage spécial. On peut alors distinguer deux types de synchronisation :
synchronisation fine : détermination du TA (Timing Advance). La BTS effectue une estimation du temps de propagation aller-retour à partir du burst RACH émis par le mobile, et le paramètre TA ainsi calculé sera transmis de manière logique via le canal AGCH.
* synchronisation logique : détermination du FN (Frame Number). La réception du SCH permet donc au mobile de calculer le numéro FN de trame dans l'hypertrame et de se caler sur le slot 0.
BCCH
Le canal BCCH (Broadcast Control CHannel) permet de diffuser des données caractéristiques de la cellule. Il comprend la diffusion régulière d'informations systèmes de plusieurs types, et cette diffusion est plus ou moins rapide suivant la nécessité du mobile. Ces informations déterminent les règles d'accès à la cellule : paramètres de sélection de la cellule, numéro de zone de localisation, les paramètres RACH donnant les règles d'accès aléatoire, indication au mobile des slots à écouter pour détecter les appels diffusés, description de l'organisation du canal CBCH, connaissance des fréquences des voies balises des cellules voisines.
Canaux de contrôle communs : « Common Control Channel »
RACH
Le canal RACH (Random Access CHannel) est un canal de contrôle partagé par un ensemble de mobiles qui leur permet de se signaler au réseau pour effectuer une opération telle que la localisation, l'envoi de messages courts, l'appel normal...
AGCH
Le canal AGCH (Access Grant CHannel) permet d'allouer un canal de signalisation lorsque l'infrastructure reçoit une requête du mobile. On peut alors identifier, authentifier et déterminer la demande du mobile. Le message d'allocation contient le numéro de porteuse et de slot, ainsi qu'une description du saut de Fréquence FH.
PCH
Le canal PCH (Paging CHannel) supporte l'ensemble des appels en diffusion (Paging). Lorsque l'infrastructure désire communiquer avec un mobile, pour un appel ou une authentification par exemple, elle diffuse l'identité du mobile sur un ensemble de cellules et les messages sont transmis sur le canal PCH. La réponse du mobile s'effectue alors de manière aléatoire sur la cellule dans laquelle il se trouve sur le canal RACH.
CBCH
Le canal CBCH (Cell Broadcast CHannel) diffuse aux usagers de la cellule des messages courts comme des informations routières, météo..
3.3 Gestion des fréquences
Principe de réutilisation des ressources
Les ondes radioélectriques sont aujourd'hui le seul moyen que l'on ait trouvé pour rendre possible les communications mobiles. Malheureusement, le spectre radioélectrique est une ressource limitée, déjà largement sollicitée par ailleurs. Le concept de motif cellulaire a donc été introduit pour permettre la réutilisation d'une même fréquence dans des endroits différents.
Le principe de la réutilisation des fréquences repose sur l'atténuation que subissent les ondes radio lorsqu'elles se propagent dans l'atmosphère. Lorsqu'on se trouve assez loin d'un émetteur, le signal envoyé par celui-ci est très faible. On peut alors utiliser la même fréquence que l'émetteur lointain sans crainte d'interférences, le signal local étant beaucoup plus puissant que le signal lointain.
Le GSM utilise donc un réseau maillé, formé d'émetteurs disséminés sur la zone à couvrir. Deux émetteurs voisins utilisent des fréquences différentes, mais des émetteurs éloignés réutilisent les mêmes fréquences selon le principe énoncé plus haut. En pratique, le terrain est "découpé" en petites zones, appelées cellules, caractérisées chacune par une fréquence précise. On réunit un certain nombre de cellules utilisant des fréquences différentes pour former un motif. On répète alors ce motif pour couvrir tout le territoire, permettant ainsi à partir d'un nombre de fréquences limité de mettre en place un grand nombre d'émetteurs.
Exemple de motif à 3 cellules
(les cellules portant le même chiffre utilisent la même fréquence).
Chaque émetteur nécessite une infrastructure complexe pour fonctionner et dialoguer tant avec l'ensemble du réseau qu'avec les téléphones mobiles présents sur sa zone de service. On appelle cette infrastructure "station de base". Un réseau de radiotéléphonie cellulaire se compose donc d'un ensemble de stations de base réparties sur la zone géographique à couvrir.
Code de couleur BSIC
La même fréquence peut être utilisée pour supporter la voie balise de deux stations suffisamment éloignées. Les deux stations ne se brouillent pas sur leur zone de service respective mais un mobile situé à mi-distance peut recevoir alternativement l'une ou l'autre station avec un niveau de champ suffisant. Afin de différencier les deux stations, on utilise le code de couleur BSIC. Le couple (fréquence, BSIC) permet sur un zone donnée de déterminer parfaitement une cellule. A l'intérieur d'un motif, on utilise le même BSIC. Ainsi, les cellules voisines (cellules de fréquences de voie balise identique) ne font pas partie du même motif.
Motif de taille 7, la fréquence indiquée est celle de la voie balise.
Notion sur les brouillages
Comme cela est expliqué auparavant, un des principes de base du GSM est la réutilisation des fréquences. Cela entraîne ainsi des recouvrements de spectre concernant un même canal présent sur deux sites différents. De plus, du fait de la non-perfection des filtres présents à l'émission des ondes électromagnétiques, la bande de 200 kHz séparant deux canaux GSM adjacents n'est pas suffisante pour se prémunir contre les brouillages adjacents.
Ainsi pour se prémunir contre des brouillages internes au réseau, il convient de vérifier les règles suivantes :
* en co-canal : le rapport signal à bruit doit être supérieur à 9 dB.
* en canal adjacent : le rapport signal à bruit doit être supérieur à -9 dB.
Ainsi, lors de la planification des fréquences sur les sites du réseau, les règles élémentaires suivantes sont systématiquement respectées :
* sur une même cellule : les fréquences utilisées doivent être distantes d'au moins 600 MHz, soit trois canaux d'écart.
* sur un même site (dans le cadre de la trisectorisation): les fréquences utilisées doivent être distantes d'au moins 400 MHz, soit deux canaux d'écart.
Saut de fréquence : « Frequency Hopping »
A l'origine, le mécanisme de saut de fréquence fut introduit dans les systèmes militaires. Le réseau SFR utilise aujourd'hui ce procédé. Il consiste pour un émetteur à changer régulièrement de fréquence pour obtenir une diversité de fréquence et ainsi, diversifier ses brouilleurs. L'interface radio du GSM utilise le saut de fréquence lent (SFH, Slow Frequency Hopping) qui consiste à changer de fréquence à chaque émission de message ou de burst. Il permet de lutter contre les évanouissements sélectifs (diversité de fréquence) et apporte une gestion différente en moyennant le niveau d'interférence global sur toutes les porteuses (diversité des brouilleurs).
Saut de fréquence.
En changeant de fréquence à chaque émission de burst ou de message, le mobile est brouillé par des mobiles différents à chaque émission. Ainsi, le pire des cas peut toujours se produire mais seulement de temps en temps. Grâce à l'efficacité du codage et de l'entrelacement, le signal peut être correctement reçu même si le C/I de certains échantillons est inférieur au seuil de la communication. Dans l'exemple ci-dessus, le signal venant de A est interféré par M, N et O. Mais le fait que le C/I moyen soit supérieur au seuil de la communication fait que la communication n'est pas brouillée. Ensuite, on numérote les fréquences de saut de 0 à N-1 et un algorithme, défini dans la norme, génère une suite pseudo-aléatoire de nombres (si) avec 0 <= si <= N-1. Il utilise comme argument le numéro de trame FN (Frame Number), chaque trame TDMA étant repérée par ce compteur dans l'hypertrame, et un paramètre HSN (Hopping Sequence Number) compris lui aussi entre 0 et 63. La BTS précise au mobile un index MAIO (Mobile Allocation Index Offset) compris entre 0 et N-1 lors de l'allocation d'un canal. Le mobile peut alors déterminer la fréquence à utiliser en ajoutant (modulo N) l'index MAIO au nombre si. Le nombre N de fréquences à prendre en compte est précisé pour chaque numéro de slots.
En combinant la technique TDMA et la technique du saut de fréquence FH, on obtient la méthode de base d'accès du GSM : FH/TDMA. Le saut de fréquence n'est pas activé lorsque la charge du réseau est faible mais lorsque le SFH est actif, le canal physique utilise un ensemble de porteuses parcourues selon une séquence de saut. Cette séquence peut être cyclique ou pseudo-aléatoire, et elle est définie sur un ensemble de N (<=64) fréquences attribuées à la BTS. Le saut de fréquence n'est possible qu'au sein d'une même bande, il n'y a pas pour l'instant de combinaisons de fréquences entre GSM 900 et DCS 1800.
On distingue deux types de saut de fréquence :
* le saut de fréquence en bande de base :
Comme d'habitude, à chaque TRX installé sur la cellule, on fait correspondre une fréquence particulière.
C'est le Time Slot considéré qui « saute » sur tous les TRX toutes les trames TDMA.
Le Time Slot 0 de la FU1, qui correspond au BCCH, ne saute pas.
* le saut de fréquence synthétisé:
Le nombre de fréquences sur lesquelles on « saute » est supérieur au nombre de TRX installés sur la cellule. On peut « sauter » sur toute la bande GSM allouée s'il on veut.
C'est le TRX qui change de fréquence toutes les trames TDMA. Le Time Slot ne « saute » plus.
La FU1 supportant le BCCH ne « saute » pas.
3.4 Performance de l'interface Air
Pour juger la qualité de la liaison radio nous avons deux paramètres à notre disposition: le Rxlev et le Rxqual. Ces derniers sont mesurés au niveau de la BTS pour juger la qualité de la liaison montante et au niveau du mobile pour juger la qualité de la liaison descendante.
Niveau reçu RxLev
Le niveau de champ provenant de la BTS mesuré au niveau du mobile s'appelle le Rxlev. Il est mesuré sur 64 niveaux, de 0 à 63 représentants respectivement les puissances de -110 à -48 dBm par pas de 1 dB. On distingue alors le Rxlev Full qui est une mesure sur tous les bursts de la trame sans exception, du Rxlev Sub qui est une mesure sur les bursts effectivement utilisés. Ce dernier cas se présente lorsqu'on économise la puissance du mobile en mettant à profit la possibilité DTX (Discontinuous Transmission). La transmission discontinue consiste à interrompre l'émission pendant les silences de parole pour diminuer l'énergie émise sur la voie radio d'où une réduction de la consommation des batteries des mobiles et une diminution du niveau moyen d'interférences. Il en est de même au niveau de la BTS. A noter que, si un TMA est installé sur le site, les mesures de niveau de champ se font après celui-ci.
Qualité du signal RxQual
La qualité du signal est mesurée via le paramètre Rxqual. Il est obtenu en effectuant une quantification du taux d'erreurs binaires BER (Bit Error Ratio) suivant la correspondance du tableau suivant :
Correspondance RxQual i <> BER
RxQual, niveau de qualité i BER, plage de valeur Valeur représentative
0 BER < 0.2 % 0.14 %
1 0.2 % <= BER < 0.4 % 0.28 %
2 0.4 % <= BER < 0.8 % 0.57 %
3 0.8 % <= BER < 1.6 % 1.13 %
4 1.6 % <= BER < 3.2 % 2.26 %
5 3.2 % <= BER < 6.4 % 4.53 %
6 6.4 % <= BER < 12.8 % 9.05 %
7 12.8 % <= BER 18.10 %
Correspondance entre le niveau de qualité et le taux d'erreur binaire.
Il faut noter que ces mesures de Rxqual se font, sur les deux liaisons, avant le code correcteur d'erreur.
Chapitre 4 Notions de base d'ingénierie d'un site
4.1 Différents materiels utilisés
Le Combiner
Il s'agit d'un dispositif qui accepte plusieurs émetteurs en entrée, les couple et fournit un signal unique en sortie. Cela permet d'émettre plusieurs signaux sur une seule antenne d'émission. On distingue deux types de Combiners suivant la technique de couplage de signaux mis en oeuvre : les Combiners à cavité, les Combiners hybride. Les combiners introduisent des pertes au niveau de la chaîne d'émission.
Le Duplexeur
Le duplexeur se constitue de deux filtres passe-bande dont le premier est centré sur la bande d'émission et le second sur la bande de réception. Il permet d'utiliser une seule et même antenne pour l'émission et la réception. Les pertes introduites par le duplexeur sont d'environ 0.5 dB (au plus 1 dB).
L'antenne
C'est un dispositif passif qui produit du champ électromagnétique. On caractérise une antenne par deux grandeurs qui sont le gain et le diagramme de rayonnement.
4.2 Diversité d'espace
La diversité d'espace est une technique destinée à combattre les évanouissements rapides liés au fading de Rayleigh. La méthode consiste à positionner deux antennes de réception suffisamment espacées pour que les signaux reçus sur chacune d'elles subissent une statistique de fading indépendante. La sélection d'un signal plutôt qu'un autre peut s'effectuer suivant deux méthodes : Sélection de la meilleure réception instantanée ou Combinaison des réceptions. Cette technique permet d'accroître la qualité de service.
4.3 Trisectorisation
Dans le réseau, les sites peuvent être trisectorisés. Sur un même lieu géographique sont regroupées trois stations de base couvrant chacune un secteur repéré par son azimut.
La trisectorisation permet de concentrer l'énergie émise sur une zone bien définie, ce qui permet de maîtriser la couverture radio et de limiter les émissions hors de la zone de service. On peut également concentrer davantage l'énergie en tiltant l'antenne, c'est à dire l'incliner de quelques degrés par rapport au plan vertical.
4.4 Amplificateur TMA
C'est un amplificateur faible bruit. Il existe deux types de TMA qui correspondent à deux types d'ingénierie :
* les TMA FLT : ils présentent une sortie vers l'antenne de réception et une sortie vers le récepteur de la station de base (RX).
* les TMA DPX : ils intègrent un duplexeur en plus; ils présentent une sortie vers l'antenne émission/réception, une sortie vers le récepteur (RX) de la station de base et une sortie vers l'émetteur de la station de base (TX).
Le TMA doit impérativement être placé au plus près de l'antenne de réception. Le gain apporté au niveau de la chaîne de réception par le TMA est d'environ 5 dB. Il s'agit d'un gain en sensibilité de la chaîne de réception.
4.5 Déclaration de voisinage
L'abonné GSM doit pouvoir passer d'une cellule à l'autre sans que sa communication ne soit coupée. Pour que le handover puisse se réaliser, il faut déclarer à l'OMC les cellules voisines de celle ou la communication se déroule. En effet, un HO se prépare de la manière suivante :
. La BTS transmet au mobile le numéro de BCCH de ses cellules déclarées voisines.
. Le mobile effectue des mesures de niveau de champ sur ces fréquences et tente de décoder les BSIC de ces voisines et les transmet à la BTS.
. Le mobile transmet à la BTS ces mesures et les BSIC décodés associés aux BCCH.
. La BTS transmet au BSC ces valeurs.
. Le BSC décide ou non le handover.
Dans cet exemple, les cellules 1 à 7 doivent être déclarées voisines réciproques (entrantes et sortantes) de la cellule 0. Dans certains cas, il sera également nécessaire de déclarer C8 et C9 voisines réciproques.
Enfin, il arrive que la cellule couvre au-delà de sa zone théorique. Dans ce cas :
* si la tache est importante ( C0'), elle sera déclarée voisine réciproque de C8, C11, et C12.
* si la tâche est petite (résurgence R0), il faudra déclarer les relations uniquement sortantes vers C8, C9, C10, C11, afin d'empêcher le mobile de rentrer dans cette résurgence et, si c'est le cas, lui éviter d'y rester piégé.
Chapitre 5 Généralités sur les protocoles et les interfaces
5.1 Définitions
La différence entre protocole et interface est fondamentale.
Une interface est le point de contact entre deux entités contiguës; chaque interface porte différents flux de protocole.
Un protocole vise à établir des règles de signalisation de part et d'autre d'une interface, on entendra donc par protocole des règles d'échanges entre différentes entités.
La spécification d'un protocole est donc distincte de la spécification d'une interface dans la mesure où celle-ci peut être réduite à sa « pile » de protocole.
5.2 Architecture en couches du modèle
Dans le domaine des télécommunications, une méthode très efficace est utilisée pour grouper différentes fonctions : l'architecture OSI.
En effet, le système GSM / DCS a adopté les trois couches basses de cette structure (qui en comporte 7) pour son modèle. L'utilisation d'un tel modèle permet la création d'un système ouvert, accessible à d'autres systèmes utilisant ce type de structure.
A travers la complexité du modèle OSI, on peut dégager deux axes principaux Un axe horizontal qui identifie le fait d'accéder à une extrémité, et un axe vertical qui correspond à la structure en couches.
Structure en couches
5.3 Relais et interconnexions
Fonction relais
L'information n'est pas transmise directement de A vers B mais comme composantes de messages à travers les différentes entités.
Dans le cas de la figure précédente, les messages sont transmis de A à B sans modification à travers le noeud intermédiaire, ce dernier jouant uniquement le rôle de relais.
Fonction d'interconnexion
Contrairement au cas précédent, un premier message transmis par l'entité A déclenche l'envoi, via un équipement d'interconnexion, d'un ou plusieurs messages transportant une part de l'information portée par le message original vers une 3ème destination et ainsi de suite.
Chapitre 6 Piles de protocoles du système GSM
Le réseau GSM est défini à partir de couches de protocoles utilisées au niveau des différentes interfaces :
* l'interface Um (entre le MS et la BTS)
* l'interface Abis (entre la BTS et le BSC)
* l'interface A (entre le BSC et le MSC)
Les interfaces ainsi que les protocoles qu'elles utilisent sont normalisés. Toutefois, les normes de certaines interfaces telles que l'interface Abis ne sont pas toujours respectées par les constructeurs.
Présentation des piles de protocoles sur les différentes interfaces.
La structuration en couches reprend le modèle OSI pour les 3 premières couches:
* couche physique,
* couche liaison de données,
* couche réseau.
La couche physique définit l'ensemble des moyens de transmission et de réception physique de l'information.
Sur l'interface Abis, le transport des informations se fait numériquement. Au niveau de l'interface radio, cette couche est plus compliquée à cause de multiples opérations à effectuer : codage correcteur d'erreur, multiplexage des canaux logiques, mesures radio à effectuer...
La couche de liaison de données permet de fiabiliser la transmission entre deux équipements.
Sur l'interface Abis, cette couche reprend les principales caractéristiques du RNIS; On utilise, pour le support de la signalisation, le protocole LAPD (Link Access Protocol for the D Channel) basé sur le protocole HDLC (numérotation des trames, mécanisme de correction d'erreurs... ).
Sur les interfaces Um et A, on utilise respectivement le LAPDm spécifique au GSM (Link Access Protocol for the D Channel modified) et le MTP niveau 2 (SS7, Signalling System number 7).
La couche réseau permet d'établir, de maintenir et de libérer des circuits commutés (parole ou données) avec un abonné du réseau fixe. Cette couche comprend 3 couches RR, MM et CM, cette dernière couche étant elle-même divisée en 3 sous-couches CC, SS et SMS.
Dans le but d'indiquer à quelle couche ou sous-couche chaque message de niveau 3 se rattache, on introduit un discriminateur de protocole ( PD : Protocol Discriminator ) avec PD = RR, MM...
La sous-couche Radio Ressource (RR) traite l'ensemble des aspects radio. En effet, elle gère l'établissement, le maintien et la libération des canaux logiques. Au niveau du mobile, elle sélectionne les cellules et surveille la voie balise à partir des mesures effectuées par la couche physique. Elle est principalement présente dans la MS et le BSC : les messages transitent entre les deux entités en passant par la BTS mais ne sont pas interprétés par celle-ci. Toutefois, quelques messages sont échangés entre le mobile et la BTS ou entre la BTS et le BSC. Pour cela, la BTS comporte deux entités RR' et RSL permettant de dialoguer respectivement avec l'entité RR de la MS et l'entité RSL du BSC.
La sous-couche Mobility Management (MM) gère l'itinérance. Elle prend donc en charge la localisation, l'authentification et l'allocation du TMSI.
La sous-couche Connection Management (CM) est découpée en trois parties :
* L'entité Call Control (CC) traite la gestion des connexions de circuits
* L'entité Short Message Service (SMS) assure la transmission et la réception des messages courts.
* L'entité Supplementary Services (SS) gère les services supplémentaires.
Les messages des sous-couches CM et MM transitent dans le BSS sans être pris en compte par la BTS et le BSC.
L'interface A utilise les protocoles suivants :
* Le protocole MTP (Message Transfert Part) qui est divisé en trois niveaux (MTP1, MTP2 et MTP3) proches des trois premières couches du modèle OSI (couche physique, couche liaison de données et couche réseau). Son but est de permettre le transport et la distribution fiable des informations de signalisation à travers le réseau et aussi de réagir aux pannes afin d'assurer continuellement la transmission.
* Le protocole SCCP (Signalling Connection Control Part) : ce protocole permet de transporter des informations de signalisation avec ou sans connexion.
* Le BSSAP (BSS Application Part) comprend le BSSMAP et le DTAP. Deux types de messages peuvent être échangés entre le BSC et le MSC : les messages interprétés par le BSC concernent la sous-couche BSSMAP et les autres messages transitant entre le mobile et le MSC sont traités par la sous-couche DTAP (dans ce deuxième cas, le BSC joue le rôle d'un répéteur). Un mécanisme de distribution permet d'aiguiller correctement les messages suivant leur type DTAP ou BSSMAP.
Le protocole BSSMAP (BSS Management Application Part) : cette sous-couche BSSMAP gère les ressources radio. Elle est utilisée pour gérer les HO et les mises à jour de localisation. Les trames BSSMAP sont encapsulées dans la partie "données" des trames SCCP.
Le protocole DTAP (Direct Transfert Application Part) : ce protocole prend en charge les messages CM et MM entre le mobile et le MSC. Le BSC est considéré comme "transparent" : les messages transitent sans modification entre le mobile et le MSC. Les trames DTAP sont encapsulées directement dans des trames SCCP ou bien dans des trames BSSMAP.
Ces différents protocoles sont détaillés dans les pages suivantes.
Les différentes interfaces avec leurs débits respectifs.
Comme le MSC est relié au RTCP qui utilise des débits de 64 kbit/s, l'interface A doit présenter également le même débit pour être compatible.
Or, la capacité des canaux de trafic à l'interface Abis est de 16 kbit/s. Par conséquent, il est impératif de convertir les débits : ceci est réalisé grâce au Transcodeur (TRAU) placé entre le BSC et le MSC. L'interface A est en réalité l'interface qui relie le MSC au TRAU.
Quant au lien qui existe entre le BSC et le TRAU, c'est l'interface ATER (MIC HighWay). Mais avant cette opération, on multiplexe d'abord plusieurs interfaces Abis sur une même interface Ater. Puis, après le passage dans le transcodeur, une interface Ater peut être scindée en 3 interfaces A.
Chapitre 7 Interface ABIS
Présentation des piles de protocoles sur l'interface ABIS.
7.1 Couche Liaisons de données
L'interface Abis se situe entre la BTS et le BSC. La transmission s'effectue sur des liens MIC (Modulation par Impulsion et Codage) à 2 Mbit/s.
La norme de cette interface n'est pas rigoureusement respectée par les constructeurs.
Sur l'interface Abis, la signalisation peut avoir plusieurs origines et plusieurs destinations, il y a donc nécessité de distinguer les messages échangés entre la BTS et le BSC et la signalisation directement échangée entre la station mobile et le BSC.
L'interface Abis supporte des messages de différents types :
* Messages supérieurs qui sont échangés entre le mobile et le réseau.
* Messages de supervision et de maintenance de la BTS.
* Messages internes de liaison de données BTS - BSC.
Tous ces messages sont discriminés dans la couche 2 en utilisant les points d'accès au service SAPI. Les différentes valeurs du SAPI utilisées sur l'interface Abis sont 0 pour la signalisation, 62 pour l'administration et 63 pour la gestion de la liaison.
Chaque TRX à l'intérieur d'une BTS correspond à un ou plusieurs liens de signalisation. Ces liens sont distingués par des TEI (Terminal Equipement Identities), ainsi les trames LAPD sont échangées entre un TRX particulier et le BSC.
7.2 Messages de niveau 3
Sur l'interface Abis, il est primordial de différencier les messages échangés entre la station mobile et le BSC d'une part, et les messages échangés directement entre la BTS et le BSC d'autre part.
Tous les messages RR sont ainsi « portés » vers le BSC (ou vers la station mobile) par des messages correspondant au protocole RSL.
Lors de remontés de mesures faites par la station mobile, les différentes entités mises en jeu sont la MS, la BTS et le BSC.
Le message RR Measurement Report transitant par la BTS est transparent pour celle-ci car elle n'en fait aucune interprétation. Elle ajoute les mesures qu'elle a réalisées sur la liaison montante puis construit le message RSL Measurement Result comportant l'ensemble des mesures: liaison montante et descendante, ce dernier étant envoyé au BSC. On parle alors du processus d'encapsulation des mesures réalisées par le mobile envoyées au BSC.
Les deux figures ci-dessous illustrent respectivement l'interprétation faites par le logiciel de post-traitement Opti-BSS et l'analyseur de protocole K1205 :
Message « RSL Measurement Result » envoyé au BSC sur l'interface Abis.
Cheminement des remontés de mesures observées sur le K1205.
Chapitre 8 Interface A
L'interface A se situe entre le sous-système radio (BSS) et le sous-système réseau (NSS). A travers cette interface transitent de nombreux messages de signalisation. Cette signalisation s'appuie sur les protocoles des couches MTP et SCCP du système de signalisation n°7 du CCITT, et aussi sur les protocoles BSSMAP et DTAP pour les couches les plus hautes qui sont propres à la norme GSM.
Par conséquent, le MSC n'est pas seulement relié aux différents BSC par des circuits de parole mais également par des canaux sémaphores directs : des Intervalles de Temps (Time Slot) sont donc réservés à la signalisation.
8.1 Le système de signalisation n°7 du CCITT
Ce système de signalisation par canal sémaphore normalisé par le CCITT permet de séparer la signalisation de la transmission en faisant transiter la signalisation sur un canal spécifique. De ce fait, on peut échanger des messages de signalisation sans établissement réel de circuit de communication.
Les avantages de la signalisation sémaphore sont :
* La possibilité de transférer de la signalisation pure indépendamment de l'établissement d'un circuit.
* La réduction des délais de transfert de la signalisation et diminution du temps d'occupation inefficace des circuits.
* La possibilité de transférer la signalisation à fort débit pendant une communication sans que l'utilisateur soit gêné.
* La possibilité de réserver les circuits pour un appel seulement lorsque le correspondant demandé est réellement joignable.
8.2 Le réseau sémaphore SS7
Toutes les liaisons sémaphores forment un réseau pour le transfert de la signalisation. Ce réseau possède des commutateurs de paquets et des équipements terminaux qui sont les centraux téléphoniques.
Le réseau sémaphore permet à deux centraux de pouvoir s'échanger à tout moment des messages de signalisation indépendamment des circuits établis entre eux. Chaque central est relié à un terminal sémaphore qui agit comme source de messages de signalisation pour permettre le dialogue avec les autres centraux : cette fonction est appelée "Point Sémaphore" (PS). Le réseau sémaphore permet de faire communiquer les PS entre eux grâce à des commutateurs de paquets appelés "Points de Transfert Sémaphores" (PTS).
Le réseau sémaphore.
Le réseau français utilise deux modes de fonctionnement :
* le mode associé : deux points sémaphores sont directement reliés par une liaison sémaphore, et la commande des circuits entre ces points sémaphores se fait via cette liaison sémaphore.
* le mode quasi-associé : deux points sémaphores ne sont pas directement reliés par une liaison sémaphore, et les messages SS7 concernant les circuits entre ces deux PS transitent via un ou plusieurs PTS prédéterminés.
8.3 Architecture du SS7
La structure en couches basses du SS7 est proche du modèle OSI. Par ailleurs, nous ne détaillerons que les quatre premières couches de protocoles (MTP1, MTP2, MTP3, SCCP) car ce sont les seules couches reprises par le système GSM à l'interface A.
Le MTP (Message Transfert Part)
Le MTP offre un service de transfert fiable des messages de signalisation. Il est divisé en trois niveaux (MTP1, MTP2, MTP3) proches des trois premières couches du modèle OSI :
* MTP1 : couche physique
* MTP2 : procédures d'acheminement des données sur une liaison
* MTP3 : routage et contrôle
Le MTP1 définit les caractéristiques physiques, électriques et fonctionnelles d'une liaison physique (= liaison sémaphore de données dans le vocabulaire SS7) et les moyens d'y accéder. On utilise le plus souvent des conduits numériques à 64 kbit / s.
Le MTP2 définit les fonctions et les procédures de transfert des messages de signalisation de façon à fournir un transfert fiable entre deux points. Ce niveau est comparable à la couche liaison de données du modèle OSI. Les données échangées sont des "trames sémaphores". Le protocole utilisé contient un mécanisme de contrôle du flux, de détection d'erreur et de correction par retransmission. Par conséquent, le MTP2 comporte un mécanisme de surveillance du taux d'erreur sur la liaison sémaphore.
Le MTP3 définit les fonctions et les procédures de transfert de messages entre les noeuds du réseau sémaphore (PS ou PTS). Il comprend deux fonctions : orientation des messages de signalisation et gestion du réseau sémaphore.
- la fonction d'orientation réalise le routage des messages entre l'expéditeur et le destinataire à travers le réseau sémaphore SS7.
- la fonction de gestion sémaphore permet d'établir des actions et procédures nécessaires pour assurer le service de signalisation et de réagir en cas de défaillance du réseau sémaphore afin que le fonctionnement du SS7 se déroule toujours dans les conditions normales. Par exemple, des canaux sémaphores de secours peuvent être utilisés pour détourner le trafic de signalisation. Pour détecter les défaillances, le MTP3 utilise les informations de surveillance provenant du niveau 2.
Le SCCP (Signalling Connection Control Part)
Le SCCP offre deux services supplémentaires par rapport au MTP :
- l'échange de signalisation pure au niveau international : le SCCP permet de réaliser l'interconnexion de réseaux et l'adressage au sein de plusieurs réseaux.
- le service orienté connexion : le SCCP permet d'offrir des services avec connexion non présents dans le MTP.
En effet, il offre quatre types de services (deux sont sans connexion et les deux autres sont avec connexion) et le système GSM exploite deux d'entre eux : le service sans connexion sans garantie de séquencement (classe 0) et le service orienté connexion sans contrôle de flux (classe 2). On retrouve ce dernier service au niveau de l'interface A.
Le service orienté connexion est réalisé grâce à trois types de messages :
- des messages d'établissement de connexion :
"CONNECTION REQUEST", CR
"CONNECTION CONFIRM", CC
"CONNECTION REFUSED", CREF
- des messages destinés à transférer les données :
"DATA FORM 1", DT1
- et ceux de fermeture de connexion :
"RELEASED", RLSD
"RELEASE COMPLETE", RLC.
Il est intéressant de remarquer que certains messages dont "CONNECTION REQUEST" et "CONNECTION CONFIRM" peuvent transporter des données des couches supérieures.
Dans ce qui suit, au niveau de l'interface A, le SCCP demandeur et le SCCP demandé sont soit le SCCP du BSC et le SCCP du MSC, soit l'inverse.
Phase de connexion :
Un SCCP demandeur (du BSC ou du MSC) envoie un message "CR" au SCCP demandé (du MSC ou du BSC) pour lui demander d'établir une connexion sémaphore. A la réception du message "CR", le SCCP demandé engage, s'il le peut, l'établissement de la connexion sémaphore.
Si l'établissement de la connexion a été bien exécuté, le SCCP demandé informe le SCCP demandeur par le message "CC". Au contraire, si le SCCP demandé refuse d'établir la connexion, un message "CREF" est généré.
Phase de transfert de données :
Un message DT1 peut être envoyé par l'une ou l'autre des extrémités d'une connexion sémaphore établie, et sert à faire passer de façon transparente des données utilisateur entre deux noeuds SCCP.
Phase de déconnexion :
Lorsque d'un SCCP veut libérer la connexion sémaphore, il envoie un message "RLSD" à l'autre SCCP. Après la réception de ce message, un autre message "RLC" est généré dans l'autre sens pour confirmer le bon déroulement de la procédure de déconnexion.
8.4 Les couches hautes du réseau GSM à l'interface A
Au dessus des couches MTP et SCCP, on trouve le BSSAP (BSS Application Part). Cette couche est formée de deux sous-couches : la sous-couche BSSMAP et la sous-couche DTAP.
Entre le BSC et le MSC transitent deux types de messages :
- les messages interprétés par le BSC qui ont trait à la gestion des ressources radio (sous-couche BSSMAP)
- et les autres messages qui sont en fait échangés entre le mobile et le MSC (sous-couche DTAP) : dans ce deuxième cas, le BSC joue le rôle de répéteur. Une "fonction de distribution" permet d'orienter les messages vers la couche BSSMAP ou DTAP.
Le BSSMAP (BSS Management Application Part)
Le protocole BSSMAP spécifie le dialogue pour les messages véritablement générés ou interprétés par le BSC. Ses messages peuvent être classés en deux catégories : ceux qui concernent un BSC et ceux qui sont liés à un canal radio dédié particulier.
Pour la première catégorie, les messages générés utilisent le SCCP en mode non connecté (classe 0) et concernent :
- la mise hors service de circuits de parole entre le BSC et le MSC
- l'interrogation des ressources disponibles au BSC
- la réinitialisation du MSC ou du BSC
- l'appel en diffusion d'un mobile sur une zone de localisation donnée
- la suggestion faite au BSC de transférer si possible des communications depuis une cellule désignée vers une liste donnée de cellules.
Pour la seconde catégorie, les messages envoyés utilisent le SCCP en mode connecté (classe 2) et concernent :
- la remise au MSC du message initial du mobile émis sur canal radio dédié
- l'allocation d'un canal radio TCH
- l'exécution d'un handover
- le passage en mode chiffré
- la libération du canal radio dédié
Le DTAP (Direct transfert Application Part)
Le protocole DTAP gère des échanges de messages entre le mobile et le MSC passant par le BSC. Ce dernier réémet tous les messages reçus sans aucune interprétation. Le DTAP utilise le SCCP en mode connecté (classe 2).
Un message DTAP appartient à l'une des classes suivantes :
- RR (Radio Ressource management)
- MM (Mobility Management)
- CM (Call Management). Cette couche est découpée en trois sous-couches : CC (Call Control), SMS (Short Message Service) et SS (Supplementary Services).
RR - Gestion des ressources radio :
La couche RR permet l'établissement, le maintien et la libération de canaux radio dédiés. Elle gère également le handover et le chiffrement. Cette couche est présente au niveau du mobile et du BSC. Toutefois, deux messages peuvent apparaître au MSC (transitant à l'interface A) :
- le message "RR Handover Command" est transmis par le MSC dans le message "BSSMAP Handover Command" ou par le BSC cible dans le message "BSSMAP Handover Request Acknowledge .
- le message "RR Paging Response" émis par le mobile et encapsulé dans le message "BSSMAP Complete Layer 3 Information" arrive jusqu'au MSC. Ce message est la réponse du mobile à l'appel du MSC (message "Paging").
MM - Gestion de l'itinérance :
La couche MM permet de remplir les fonctions suivantes :
- la localisation de l'abonné
- l'authentification
- l'allocation de TMSI (identifiant temporaire de l'abonné mobile)
- l'établissement d'une transaction CM d'origine MS
- la synchronisation pour les niveaux supérieurs
- la surveillance de l'activité de l'infrastructure
- le rétablissement de communication
Localisation de l'abonné
Lorsque le mobile est en veille, le réseau mémorise son emplacement en termes de zone de localisation. Les procédures engendrées sont :
- mise à jour de localisation, périodique ou normale,
- IMSI Attach, invoqué lors de l'activation de la station mobile,
- IMSI Detach signalant la mise hors tension du mobile ou le retrait de la carte SIM.
L'échange relatif à la mise à jour de localisation (et IMSI Attach) est illustré sur la figure suivante. L'IMSI Detach se fait par l'envoi du message MM_IMSIDetachIndication.
Mise à jour de localisation.
Authentification
Le rôle de la procédure d'authentification est double :
- vérifier que l'identité fournie par le mobile est correcte,
- transmettre au mobile la clé de chiffrement.
Les messages impliqués sont :
MM_AuthenticationRequest,
MM_AuthenticationResponse,
MM_AuthenticationReject.
Allocation de TMSI
L'intérêt d'une identité temporaire est de protéger l'abonné contre l'identification et localisation par un intrus.
Le TMSI est une identité locale restreinte à une zone de localisation.
L'allocation de TMSI peut être accomplie par la procédure dédiée à cet effet ou implicitement par d'autres procédures utilisant le TMSI (mise à jour de localisation, établissement d'appel).
Le réseau lance la procédure en envoyant le message MM_TMSIReallocation Command contenant le nouveau couple (LAI, TMSI). L'opération est acquittée par le message MM_TMSIReallocationComplete.
Etablissement d'une transaction
L'établissement d'une transaction CM d'origine MS consiste en un message précurseur MM_CMServiceRequest, envoyé par le mobile, et une séquence de signalisation orchestrée par le MSC. Ce dernier peut demander l'authentification de l'abonné et le passage en mode chiffré. La réponse positive à la demande du MS est réalisée par l'envoi d'un MM_CMServiceAccept. Le MSC peut refuser l'accès au service CM par l'intermédiaire du MM_CMServiceReject. Du fait que le message MM_CMServiceRequest ne contient pas de référence de la connexion CM à établir, puisque l'identifiant de transaction n'est présent que dans les messages CM, le lancement d'une seconde procédure d'établissement générique avant l'aboutissement de la première est interdit.
Synchronisation pour les niveaux supérieurs
Cette fonction veille à ce qu'il n'y ait pas de procédure d'établissement de connexion CM entreprise pendant l'exécution d'une procédure de mise à jour de localisation (avant l'arrivée du MM_LocationUpdatingAccept).
Surveillance de l'activité de l'infrastructure
La couche MM vérifie continûment s'il y a une transaction CM en cours sur les canaux dédiés établis. Dans le cas contraire, si l'infrastructure ne se manifeste pas avant un certain temps (timer), le mobile relâche les canaux et retourne en état veille.
Rétablissement de communication
Cette procédure est similaire au handover déclenché par le mobile dans d'autres systèmes de radiocommunications. Elle permet de reprendre la communication par suite d'une perte due par exemple à une tentative de handover trop lente.
CM - Gestion des communications :
La couche CM est divisée en trois sous-couches :
- CC (Call Control) : gestion d'établissement d'appel
- SMS (Short Message Service) : gestion des messages courts
- SS (Supplementary Services) : gestion des services supplémentaires
La gestion des communications (Communication Management) se chargent des fonctions suivantes :
- gestion des attributs d'une communication
- établissement du circuit entre demandeur et demandé
- gestion des services à l'alternat (basculement parole/données)
- gestion des appels multiples (conférence, mise en instance/attente de l'appel)
- libération de l'appel
- gestion des services supplémentaires
- communication des messages courts
Contrôle des appels
CC est la partie de la couche CM qui s'occupe du traitement des erreurs. Elle gère les procédures suivantes :
- établissement d'appel
- signalisation durant l'état actif de la communication
- libération d'appel.
Echange de messages lors de l'établissement d'un appel sortant / entrant
Libération de la communication
Messages courts (service SMS)
Le service de messages courts point-à-point permet la transmission de quelques dizaines de caractères entre une station mobile GSM et une entité munie du protocole approprié. Le transfert se fait par l'intermédiaire d'un serveur, appelé Service Centre (SMS-SC). Tout PLMN est capable de réaliser le service de messages entrants (Mobile Terminating SMS). Par contre, certains MSC n'assurent pas la transmission de messages sortants (Mobile Originating SMS). Quant à l'abonné, ces services ne lui sont disponibles que s'il dispose d'un appareil mobile supportant les fonctionnalités associées (et qu'il en soit souscripteur).
Gestion des services supplémentaires
Les services supplémentaires apportent une valeur ajoutée au service téléphonique de base. Ils permettent aux abonnés un certain niveau de contrôle sur l'établissement des appels (ex : renvoi d'appel, interdiction d'appel) ou bien une meilleure gestion des communications (ex: indication de taxation, mise en instance/attente d'appel).
Chapitre 9 Quelques références...
Plusieurs références:
* La bible du GSM: Réseaux GSM-DCS, aux éditions HERMES. Ce livre est la référence en GSM. Il est très complet. On y trouve tout.
* Un livre qui m'a été très utile: GSM Réseau et Services, aux éditions MASSON. Ce livre présente la norme européenne de transmission numérique: GSM. Il décrit les divers aspects de cette technologie. Très clair.
* Un autre: Les systèmes de télécoms mobiles, aux éditions HERMES, qui couvrent les systèmes de deuxième et troisième générations.
* Encore un autre: The GSM System for Mobile Communications, de Michel Mouly et Marie-Bernadette Pautet, qui est aussi une bible du GSM et une référence tres complète.
Petit cours sur les masques de sous réseau
1 Introduction
1.1 Objet de ce cours
Dans le monde des réseaux, on utilise souvent des termes inintelligibles pour le commun des mortels n'ayant pas une formation informatique poussée. Les masques en font partie, d'autant plus que leur compréhension et leur utilisation n'est pas toujours simple (au départ ;-) ) Le but de ce cour
2 sept. 2008 à 13:31
J'ai lu ce que tu as mis vraiment c'est interessant, et j'ai quelque question a te posé.
je voudrais savoir le rôle de la localisation d'un mobile en veille et en communication
Merci de ta reponse.
4 sept. 2008 à 13:17
Tu sais MHDI, on parle de GSM donc de "mobilité", or garder en permanence une trace de positon de chaque Mobile allumé requiert un énorme flux de signalisation. Pour diminuer ce volume, le réseau ne cherchera pas à savoir à tout moment dans quelle cellule exactement se situe un terminal mobile. on déclare pour cela un ensemble de cellules voisines (généralement celles appartenant à la même région) comme étant une zones de localisation (Location Area).
Le réseau ne connaît donc souvent que la localisation approximative d’un mobile et si un appel est émis vers ce mobile, le réseau fait un appel en diffusion, c’est-à-dire qu’il émet un signal contenant un identifiant du mobile concerné sur toutes les cellules de la zone de localisation. Le mobile qui reconnaît son identifiant peut alors signaler sa position. Cette procédure est appelée paging.