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1 Histoire des radio-mobiles 1978 Réseau cellulaire analogique AMPS (USA) 1981 Réseau cellulaire numérique militaire RITA ( France) 1985 Réseau cellulaire.

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1 1 Histoire des radio-mobiles 1978 Réseau cellulaire analogique AMPS (USA) 1981 Réseau cellulaire numérique militaire RITA ( France) 1985 Réseau cellulaire analogique RADIOCOM 2000 France Telecom 1993 Réseau cellulaire numérique GSM en Europe 1996 Réseau DCS 1800 en Europe 2004 Réseau UMTS

2 2 Chronologie de la norme 1979 Union International des télécoms alloue la bande 900 MHz 1982 Les sous-bandes pour Tx et pour Rx sont fixées 1983 Le « Group Special Mobile » est crée par lEUROPE 1984 France Telecom lance le projet Marathon pour définir GSM 1985 LA CEE approuve la norme GSM 1987 Le mutiplexage temporelle est validé 1988 La France accorde une licence à France Telecom et SFR

3 3 Chronologie industrielle 1991 En France démarrage réseaux Itineris et SFR 1992 GSM devient Global Systemes for Mobiles 1993 Adaptation pour la fréquence 1800 MHz 1999 GPRS Global Packet Radio Service ( GSM + IP) 2002 Définition de la norme UMTS Universal Telecom Mobile Service

4 4 Evolution des débits GSM GPRS UMTS GPRS UMTS Annonce Realité Année 2006 Débits (kb/s)

5 5 Les normes mondiales GSM GPRS UMTS PDC W-CDMA TDMA-Edge IMT 2000 UWC-136 AMPS Wap SMS AMPS = Advanced Mobile Phone System CDMA = Code division multiple access GSM= Global System for Mobiles GPRS = General Packet Radio Service EDGE = Enhanced data rates for GSM Evolution IMT = International Mobile Telecom PDC¨=Pacific Digital Com SMS= Short Message Service UMTS = Universal Mobile Telecom System UWC = Universal Wireless Com WAP = Wireless Application Protocol

6 6 Abonnés mondiaux Millions dabonnés

7 7 Architecture du réseau Station de base Voie montante(Tx) Voie descendante(Rx) Identité du mobile authentification visiteurs abonnés mobile Controleur de stations de base

8 8 Répartition des fréquences NormeDECTGSMDCS Fréq P (W)0.252/81 Portée Km UMTS BlueTooth

9 9 Antennes c= km/s, f = fréquence en Hertz, = longueur donde en m GSM: 935MHz = 32 cm /4 = 8cm Longueur antenne = /4 = c/f

10 10 Allocation des fréquences GSM DCS Tx 960 Rx f(MHz) Tx 1880 Rx f(MHz) mobile 1-2Watts Station de base 300 Watts Montante (Tx) Descendante (Rx)

11 11 Fréquences des opérateurs GSM : [890+nx0.2] MHz à 915MHz DCS 1800 : [1710+nx0.2] MHz à 1785MHz La bande de fréquence est découpée en sous-bande de 200 kHz Tx Operateur 1Operateur 2Operateur Répartition des bandes entre opérateurs (idem pour Rx)

12 12 Capacité théorique du réseau Voie montante GSM Bande disponible 915 – 890 MHz = 25 MHz Sous Bandes disponibles 25 / 0,2 = 125 bandes Nb intervalle de temps 125x8 IT =1000 soit environ 1000 utilisateurs simultanés par zone

13 13 Répartition des fréquences nx0,2960 f

14 14 Choix de lémetteur 935 Recherche les pics dénergie Mémorise les 5 majeurs Sélectionne le meilleur 960

15 15 Attribution des canaux 890 Frequence(MHz) 200KHz Amplitude Temps R1 T1 577µs T1 4.61ms T8 200KHz Multiplexage temporel (TDMA) Distance nécessaire au duplex 45 MHz

16 16 Multiplexage temporel 577µs Frequence(MHz) 4.61ms Trame TDMA Temps

17 17 Données transmises pendant 1 IT Données encryptées Données encryptées 3 bits57 bits bits3 bits Durée du paquet 546 µs Sequence dapprentissage BS 4,61 ms Intervalle de garde 30,4µs Durée de lIT (slot) 577µs 577 * 8 = 4,61 ms

18 18 Codage de la parole Répartition des bits par trame Coefficients du filtre LPC (8 coef) 36 Fréquences des 4 fondamentaux 28 Amplitudes des 4 fondamentaux 8 Quantifications des 4 sous séries 156 Energies maximales des 4 sous séries 24 N° de la sous série retenue /20ms = 13kbits/s Modèle Coefficients du filtre LPC (36 bit) Coefficients du filtre de génération des fondamentaux (36 bit) Signal dexcitation 188 bits Parole reconstituée Le principe consiste à transmettre les coefficients dun modèle mathématique et son signal dexcitation qui permet de reconstituer 20 ms de parole Les bit à transmettre sans erreur sont : -30 bit des 6 coefficients du dénominateur du filtre prédicteur LPC, -12 bit (4x3 bit) des 3 poids forts des fréquences fondamentales -8 bit (4x2) des 2 poids forts des énergies maximales dexcitation Soit 50 bit Les bits les moins sensibles sont: -les 13 poids faibles des 4 s/séries -le poids faible de lénergie max -les 6 bits restants du LPC -les 4 bits restant des fondamentaux Soit 78 bit 50 Bits de classe I 78 Bits de classe III Reste 132 Bits de classe II

19 19 Encodage des données 260 bit 456 bit 20 ms de parole 13 kbit/s Codage Canal 22,8 kbit/s Entrelacement 8 demi-paquet x 57 bit utilisant un ½ slot Slot Trame TDMA 4,6ms 8 trames TDMA = 36,8 ms = durée de la transmission de 20 ms de parole

20 20 Codage canal (Bande de base) Ajout dun CRC de 3 bit aux 50 bit classe I Ajout des 132 bits de classe bits de purge de registre 53 bits 189 bits Codeur convolutionnel de facteur bits Ajout des 78 bits de classe III 456 bits Soit 57 x 8 = 456 bits

21 21 Codeur Convolutionnel Le codage convolutionnel est adapté à la détection et la correction des erreurs qui peuvent se produire dans les canaux radio notamment celles dues aux interférences de fréquence avec les canaux voisins C C C g g g = D 4 + D g= D 4 + D 3 + D + 1 Le code C est formé en prenant en alternance C et C Le décodage est nettement plus complexe. Lalgorithme de Viterbi estime à chaque coup dhorloge létat des 4 bascules du registre de codage en tenant compte du modèle gaussien des erreurs

22 22 Entrelacement Le but est de répartir un paquet de données codées sur 8 intervalles de temps afin de sécuriser la transmission. Pour cela on aligne les 456 bits dans un tableau de 8 colonnes et 57 lignes, chacune des colonnes est ensuite transmise sur 8 IT B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10…………………………. B16……………………………….. B440………………………………..B447 B448 B455 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 8 demi-blocs dintervalle de temps

23 23 Modulation Phase de loscillateur Oscillateur Modulateur damplitude s(t) x(t) Ampli additionneur A B Pour éviter des sauts de phase brusques qui donnent un spectre analogue au NRZ autour de la porteuse, un dispositif assure pendant la période de base T une variation linéaire de la phase Initiale à la phase finale. En anglais cette modulation est dite QPSK/MSK Quadratic Phase Shift Keying/Minimum Shift Keying

24 24 Gestion des canaux du GSM La complexité dun réseau radio comme - les fluctuations du canal radio notamment dues à la distance entre le mobile et la station - les déplacements mondiales du mobile - les multiplicités des services ( voix, SMS, MMS, Canal de données, GPRS) nécessite un ensemble de canaux pour - véhiculer les trafics de la voix et des données - diffuser de linformation aux mobiles (fréquences utilisées, appels divers …) - adapter en permanence les émissions radio du mobile au profil du canal alloué Roland Gerber

25 25 Les canaux logiques GSM Les canaux de traficCanaux pour la voix Transport de la voix (TCh)Plein débit et demie débit Canaux pour les données Données utilisateur 9,6 kbit/s, 4,8 kbit/s, Les canaux dédiésCanal de signalisation Numérotation à un mobileSDCCh Canal de contrôle lent de Supervision lente de la liaison SACCh la liaison Canal de contrôle rapide Supervision rapide de la liaison FACCh de la liaison Ces canaux sont bi-directionnels et dédiés à une communication

26 26 Les canaux logiques Les canaux de diffusionCanal de correctionCalage de la porteuse (Broadcast) de fréquence BCh (Voie balise)FCCh Canal de synchronisationSynchronisation SChtemporelle Canal de contrôle généralInformation système BCCh Les canaux de contrôleCanal dappelAppel du mobile communs à accès partagéPCh CCCh Canal daccès aléatoireDemande de connexion RACh du mobile Canal dallocation desAllocation des ressources AGChressources radio Canal des messages Diffusion de message CBChinter-cellules

27 27 Les canaux logiques dédiés Le canal TCh et ses associés SACCh ou FACCh servent au transport de la voix et au contrôle permanent de la liaison radio, notamment le « handover » TCh peut avoir 2 débits 13 kbit/s et 5,6 kbit/s SACCh ( Slow Associated Control Ch) - contrôle la puissance démission du mobile - fournit le temps davance démission à lintérieur de lIT pour compenser le retard de propagation - contrôle la qualité du lien radio (via les erreurs détectées) - reçoit des informations sur la puissance reçue par les stations voisines (préparation du hand over) Le canal SACCh est multiplexé avec TCh, les blocs dinformations sont de 23 octets (184 bit).Il sagit dun canal de données transportées en mode connexion LAPD. Ces blocs dinformations sont encodés en 456 Bits (Codage convolutionnel) et transmis sur 4 IT classiques. Ces 4 IT sont pris sur les IT disponibles du canal voix. Il y a 1 IT disponible toutes les 26 trames. Il faut donc 104 trames pour acheminer un bloc SACCH, doù le nom de canal lent

28 28 Les canaux dédiés (suite) FACCh (Fast Associated Control Channel) Le débit du canal SACCh nest pas suffisamment rapide pour exécuter un hand over Le canal FACCh prélève des demie IT de la voix pour transporter les informations SDCCh (Signaling Data Control Channel) Ce canal qui utilise un canal voix transporte la signalisation et les SMS En cas de communication simultanée, les SMS sont transportés sur le canal SACCh Données encryptées Données encryptées 3 bits57 bits bits3 bits 546 µs 4,61 ms 577µs

29 29 Multiplexage trafic et contrôle La parole est codée en paquets de 260 bits toutes les 20 ms par le codage source Le codage en canal en déduit 456 bit toutes les 20 ms qui sont transportés sur 8 demi IT ou 4 IT sur 4 trames, soit 4 x 4,61 ms = 18,4 4 < 20 ms Il reste donc régulièrement des IT disponibles La norme GSM prévoit des multitrames à 26 trames de 8IT (26 x 4,61538 = 120 ms) - 24 IT sont utilisés pour les burst de parole soit 24/4 x 20 ms = 120 ms de paroles - 1 IT restant est utilisé pour le contrôle de liaison radio SACh - 1 IT pour le calage en fréquence Le bloc de base SACCh nécessite 4IT donc 480 ms par bloc, ce qui est trop long en cas de handover Dans ce dernier cas des ½ IT sont pris sur le trafic T (canal FACCh) T T T T T T T T T T T T A T T T T T T T T T T T T i Organisation dune multitrame 120 ms T T T T F F F F T T T T A T T T T T T T T T T T T i F F F F T T T T Organisation dune multitrame FACCh

30 30 La voie balise Une des fréquences allouée à la station de base est réservé partiellement pour la gestion des mobiles Un mobile mesure périodiquement les puissance reçues des balises du voisinage - détection de la station - calage en fréquence - synchronisation temporelle - préparation du handover La voie balise dune station de base fournit - un signal descendant à puissance constante permettant les mesures de puissance du M - les canaux de broadcast principalement sur le slot 0

31 31 Les canaux sur la voie balise FCCh Frequency Correction Channel Un paquet spécifique de 148 bit à 0 est émis sur le slot 0 sur les trames 0, 10, 20,30… dune multitrame de 51 trames. La porteuse reçu est un signal sinusoidal parfait qui permet au mobile de se caler SCh Synchronisation Channel Ce canal permet de mesurer les temps de propagation et donne au mobile linstant dans lIT où il doit commencer à émettre Un paquet spécifique est émis par la balise sur le slot 0 sur les trames 1, 11, 21, 31 … Ce paquet comprend -une séquence dapprentissage allongée de 64 bit ( au lieu de 26) - un numéro de trame 19 bit - un code qui permet didentifier la station de base qui émet (6bit) Ces derniers 25 bit + 10 bit de CRC + 4 bit de traîné sont convolués dun facteur 2 Ce type de paquet est envoyé par tous les opérateurs et est le premier paquet décodé par le mobile à la mise sous tension. BCh Broadcast Channel Ce canal donne aux mobiles les caractéristiques de la station de base

32 32 Synchronisations binaire et logique Synchronisation binaire - le mobile et la station de base doivent se synchroniser au niveau bit (physique) et donc connaître le temps de propagation TA qui les sépare. - la séquence dapprentissage de SCh permet de définir dans le mobile un instant à la µs près - le mobile répond après cette séquence dans le canal RACh en positionnant un paquet à cet instant dans un slot RAch. La station de base à la base du synchronisme trame de RACh peut mesurer à larriver 2TA Synchronisation logique - Les trames sur TCH ont une organisation en multitrame = 26 trames de 4,6ms = 120 ms (parfois 51 trames) supertrame = 51 multitrames = 6s 120 ms hypertrame = 2048 supertrames = 3 H 28 m 53 s 760 ms - Les supertrames et hypertrames permettent le gestion du réseau GSM - Le champ de 19 bit dun paquet SCh permet au mobile de trouver le n° de la trame courante sur le canal de trafic TCh

33 33 Egalisation Les séquences binaires de synchronisation permettent légalisation du canal Le signal après démodulation (signal bande de base) est échantillonné à la périodicité Baud et les amplitudes sont entrées dans une ligne à retard analogique x(i) x(i-1) x(i-2) ……………..x(i-n) h 0 h 1 h 2 h n t)/ x(t) y(t) t Seuils de décision Les coefficients h i sont calculés régulièrement par un calcul des variations et sur une séquence dentrée spécifique dont la sortie y(t) est connue à lavance

34 34 Diffusion dinformations Le canal BCh sur la voie balise se trouve au slot 0 dans les trames ou ce slot ne sert pas au calage de fréquence Le protocole est du type LAPD avec des paquets dinformation de 23 octets (184 bit) Pour lencodage il sajoute 44 bit de CRC + code convolutionnel x 2, soit 456 bit Ces 456 bit sont entrelacés en 8 blocs de 57 bits et transportés sur 4 IT (slot) Ce canal transmet les informations suivantes - La description de lorganisation de la cellule - les slots à écouter pour détecter les appels diffusés (GACh par ex) - les fréquences balises des stations voisines - la liste des fréquences utilisées par cette station (nécessaires aux sauts de fréquence) - Les paramètres RACh pour laccès aléatoire du mobile à la station (f et slot) - La confirmation de linscription du mobile sur cette station

35 35 Les canaux de contrôle communs Canal RACh (Random Access Channel) Ce canal permet au mobile de faire un requête montante du type ALOHA La nature de la requête (authentification, communication,SMS,….) est codé sur 8bit Lencodage canal est 8 + (6 CRC + 6 N° de station) modulo 2 = 14 bit Le code convolutionnel donne ( traînée) x 2 = 36 bit Format du paquet à insérer dans un slot Séquence de synchronisation Bits de données Slot 577 µs 156,25 bit 68,25 bits de bourrage La station de base répond sur le canal AGCh (Acces Grant Channel) et alloue un canal de signalisation dédié à la requête

36 36 Les canaux de contrôle commun Canal AGCh (Acces Grant Channel) Sur ce canal la station de base renvoie un message dallocation de 23 octets qui deviennent 8 blocs de 57 bits envoyés sur 4 IT Le message dallocation donne - les n° de porteuse et slot - la description de sauts de fréquence - le paramètre TA Canal PCh (Paging Channel) Sur ce canal la station de base lance les appels pour communiquer avec un mobile (appel téléphonique SMS) Elle envoie un message dappel de 23 bit qui renferme lidentité temporaire (TMSI) sous laquelle le mobile est déclaré dans la station de base Le mobile répond sur RACh Canal CBCh (Cell Broadband Channel) Ce canal est prévu pour envoyer aux mobiles présents dans la cellule des informations générales urgentes (routières, météo..

37 37 La couche liaison La couche liaison permet un accès partagé de la même ressource physique, une porteuse et un slot donnés dans le cas GSM; Le protocole LAPD (Link Acces Protocol du Canal D) développé pour le RNIS et similaire à X 25 (Minitel, distribanques…) est utilisé. Il sagit de réseau à commutation de paquets Station / Routeur Ressource partagé Dans la cas du GSM, les canaux bidirectionnels SDCCh (signalisation), SACCh, FACCh utilisent le protocole LAPD. Les canaux unidirectionnels BCCh, PCh, RACh utilisent une version réduite sans accusé de réception

38 38 Protocole LAPD Fanion Champ Adresse locale Champ de contrôle Nb octets info Information CRC Fanion C/R Le fanion sert à repérer le début de trame Le champ adresse donne une adresse qui est temporaire durant la communication, il permet didentifier le terminal et quelque fois la couche de niveau supérieure à activer Le champ de contrôle donne la nature du présent paquet - paquet détablissement de la connexion - paquet dinformation avec contrôle du flux - paquet de libération de la connexion Le champ contrôle permet de surveiller les flux de paquets N(S) N° paquet émis, N(R) N° paquet attendu Le champ dinformation transporte les données, Dans le cas dun paquet dinitialisation, ce champ transporte lidentificateur du destinataire CRC Champ de controle des erreurs

39 39 Sécurité du protocole LAPD Routeur Terminal Base de données abonnés Le paquet dinitialisation dune connexion (émis par ex ici par un terminal à destination du serveur base de données) marque un jeu piste en associant un N° de voie logique avec un canal physique. Tous les paquets suivants de la connexion suivent ensuite le même chemin. Les tables de routage, construits au moment de la connexion, associe à un canal physique dentrée et le N° de voie logique du paquet transporté un autre canal et le nx N° de voie logique réservé au moment de la connexion.

40 40 Protocole LAPD pour mobile Champ adresse Champ de contrôle Nb Octets information Information Octets de bourrage ou 21 SACCh La longueur des paquets est fixée à 23 ou 21 octets Ces paquets sont véhiculés - sur des canaux radio entre MS et BTS - sur des canaux filaires entre BTS – BSC – MSC Les informations transportées font la gestion de : - la ressource radio MS, BTS, BSC (RR) - lauthentification, lallocation des canaux entre MS et MSC dont la voix (MM) - la signalisation, et le suivi des appels (CM) RR Radio Ressource MM Mobile management CM Connection Management Ces 3 entités ne sont pas traitée comme des couches ISO distinctes Les paquets montent dans lentité de traitement adapté

41 41 Architecture du réseau BSC BTS MSC Interface A Voix 64 kbit/s Canaux MIC VLR HLR VLR RTC BTS Base Transceiver Station BSC Base Station Controller MSC Mobile Switching Center HLR Home Location Register VLR Visitor Location Register RTC Réseau de Télécom Commuté Interface A bis Voix 13 kbit/s Canaux 16 kbit/s

42 42 Architecture des canaux BSCBTS TCh SDCCh SACCh FACCh BCCh ……. Canaux de trafic (type B) Canaux de signalisation et de gestion (type D) TRAU TRAU Transcoder Rate Adaptor Unit MSC Voix 64 kbit/s Voix 13 kbit/s

43 43 Fonctions respectives BTS - Transmission radio : modulation, égalisation, codage derreurs multiplexage TDMA, saut de fréquence, mesures radio ( transmises à BSC) - Gestion des couches liaison LDAPm et LDAP Remarque Une BTS peut comporter jusquà 16 porteuses mais dans la pratique moins de 10 dont la balise soit une capacité denviron 72 communications simultanées. La puissance émise dépend de la zone à couvrir et peut aller au maximum jusquà 300 Watts BSC – Gestion des ressources radio : affectation des canaux, contrôle des puissances radio, handover - Concentration du trafic des voies 13 kbits vers BTS - Codage Décodage de la parole kbit/s vers MSC Remarque Une BSC est reliée par des liaisons MIC aux BTS et à son MSC de rattachement et assure la gestion des liaisons LDAP sur ces MIC; Capacité communications MSC - Commutation MIC - Passerelle avec le réseau fixe - Gestion de VLR - Transmission des messages courts SMS Capacité abonnés/ 0,025 erlang

44 44 Pile des protocoles CM MM RR LAPDm Radio MS RR LAPDm LAPD Radio MIC BTS RR LAPD MTP SS7MIC BSC CM MM MTP SS7 MIC MSC MTP Messages Transfert Protocole de SS7

45 45 Les services Les services GSM ont été calqués sur ceux du RTC mais senrichissent tous les jours Voici une liste non exhaustive - Transmission de la voix - Messages courts SMS - Circuits de données 1200, 2400, 4800, 9600 kbit/s ( , Internet/WAP) - GPRS - Fax - Identification du N° appelant - Renvoi dappel - Double appel/Mise en instance - Conférence - Consultation et alerte sur facturation - Restriction dappel entrants et sortants

46 46 Réseau SMS SDCCh Signaling Data Control Channel MSC Serveur de messagerie Serveur de messagerie Canal de signalisation Réseau radio mobile SDCCh ou SACCh Serveur de messagerie Chaque MSC possède un serveur de SMS Les serveurs dialoguent entre eux par un réseau de données (souvent X25 ou Internet) Les échanges avec le mobile se font sur le canal de signalisation. Les couches basses sont LAPD et MTP SS7 surmontées de RR, MM et CM Ces couches assurent la connexion 1-3, les textes sont encodés dans des couches applications SM AL SM TL

47 47 Réseau GPRS BTS BSC MSC Infrarouge Bluetooth A bis A SGSN GGSN SGSN Réseau IP Serving GPRS Support Node Gateway Gprs Support Node Une connexion IP est allouée de bout en bout entre le PC et le SGSN. Ladresse IP reste la même en cas de handover

48 48 Identification des utilisateurs IMSI (International Mobile Subscriber Identity) MCC MNC H1 H2 MSIN Nb de digits Mobile Country Code (ex France 208) Mobile Network Code (ex FT 01) Mobile Subscriber Identification Code H1 et H2 identifiant de la base données HLR Ces informations sont mises dans la carte SIM au moment de la fabrication (ROM) MSISDN ( Mobile Station ISDN Number) N° de téléphone de labonné CC 6 AB PQ MCDU CC 33 pour la France 6 abonné mobile AB donnait lidentité de lopérateur PQ adresse logique du sous6ensemble HLR MCDU adresse logique de labonné dans HLR TMSI (Temporary Mobile Station Identity) N° dappel temporaire du mobile Ce N° est attribué à la connexion par VLR

49 49 UMTS généralités Nouvelle norme de radio téléphonie en EU Bandes de fréquence autour de 2 GHz Multiplexage par le code CDMA (abandon du TDMA) Services haut débit jusquà 2 Mbit/s (vidéo…) Démarrage en France 2004 ?

50 50 Modulation CDMA T T T T T Données Code D x C Emission Code D x C Réception

51 51 Démodulation Signal x Code Valide 1 Valide 0 Integration Signal Code 8 bit

52 52 Démodulation non valide Signal reçu Autre code Signal x Code Integration

53 53 Générateur de code x=1+X 2 +X 5 Exemple de code à 32 bit

54 54 Analyse fréquentielle Augmentation du débit par utilisation dun canal plus large et continuellement Un code= 384 kbit/s 5 codes pour 1 utilisateur= 2Mb/s f 0.2 Mhz 13 kbits/sec Amplitude GSM t f 5 Mhz 2 Mbits/sec Amplitude UMTS t

55 55 Conclusion UMTS Unprobable Mobil Telecom System ? ou 2004 ?


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