Transcript Le sous-système réseau (NSS)

Les réseau GSM
Ce cours présente les caractéristiques
essentielles du système, son
architecture générale, son interface
radio, et les protocoles mis en œuvre
dans les réseaux GSM.
Historique
• 1985 : Système analogique (RadioCom 2000 en
France) pour applications civiles
• Le groupe spécial mobiles (Ancien sigle de GSM) a
travaillé dès 1983 sur l'élaboration d'une norme
européenne de téléphonie mobile dans la bandes des
900MHz.
• 1991 : Les premiers réseaux commerciaux ont été
construits, par les opérateurs Itinéris et SFR.
• 1993 : Une nouvelle bande de fréquence à 1800MHz
a été allouée (DCS Digital Communication System).
• 2000 : nouvelles fréquences (GPRS pour global
packet radio service).
Architecture générale
• Le GSM est un système cellulaire, dans lequel les cellules adjacentes
sont séparées en fréquence, ce qui nécessite une planification préalable
au déploiement.
• Les équipements mobiles et les fonctions relatives à la gestion des
utilisateurs mobiles sont regroupés dans réseau appelé PLMN (Public
Land Mobile Network).
• Le standard GSM spécifie les passerelles permettant aux réseaux
mobiles de se raccorder aux PSTN et aux PLMN d'autres opérateurs.
• Un PLMN se sépare en trois ensembles distincts :
– un sous-système radio, le BSS (Base Station Subsystem),
– un sous-système réseau, le NSS (Network SubSystem),
– un soussystème d'exploitation et de maintenance, l'OSS (Operation Support
Subsystem).
Allocation des fréquences
• L'onde radio dans est le lien entre l'abonné et l'infrastructure
de l'opérateur.
• L'abonné et l'émetteur du réseau doivent être à proximité.
• Un opérateur n'a qu'une bande de fréquence réduite.
• Chaque terminal utilise lors d'une communication une
fréquence variable qui lui est attribuée par l'opérateur en
fonction des ressources disponibles.
• Le nombre d'appel simultanément possible sur une fréquence
est insuffisant pour satisfaire tous les abonnés. C'est pourquoi
le concept de cellules a été introduit.
Réseau cellulaire
• L'opérateur peut réutiliser une fréquence dans plusieurs endroits
géographiques dans la mesure où il n'y a pas de risque d'interférences.
• Chaque zone couverte par un émetteur est appelé cellule de taille variable
de 200 mètres à 35 kilomètres
•
Deux cellules mitoyennes ne peuvent pas utiliser la même fréquence à
cause des interférences.
•
Plus la taille d'une cellule est petite, plus la
quantité d'appels passées sur le réseau pour
une surface donnée est grande.
On modélise les cellules par des hexagones.
•
•
La présence d'un grand nombre de cellules
liées à la mobilité de l'utilisateur implique
une des fonctionnalités de "handover "
(capacité pour un terminal de changer de
cellule de manière tout à fait transparente
Architecture
Le sous-système radio (BSS)
Le sous-système radio est l'ensemble des constituants du réseau qui gère
l'échange et la transmission des données par la voie hertzienne.
•MS (Mobile Station), ou terminaux mobiles.
•BTS (Base Transceiver Station), ou stations de base
•BSC (Base Station Controller), ou contrôleurs de BTS
MS (Mobile Station ou terminaux mobiles)
•
•
Représentent la partie visible d'un système radiomobile.
Le système GSM a introduit dans les terminaux une carte à puce, (SIM
Subscriber Identity Module) qui contient les informations relatives à
l'abonnement de l'utilisateur.
1.IMSI (International Mobile Subscriber Identity)
2.L'IMEI est un numéro à 15 chiffres qui presente la structure suivante:
3.IMEI = TAC / FAC / SNR / sp
Où:
 TAC = Type Approval Code, déterminé par le corps central du GSM (6 chiffres)
 FAC = Final Assembly Code, identifie le constructeur (2 chiffres)
 SNR = Serial Number (6 chiffres)
 sp = Chiffre supplémentaire de réserve (1 chiffre)
4.TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity),
5.IMEI (International, Mobile Equipment Identity),
6.Algorithmes de chiffrement.

La carte SIM peut être transférée d'un terminal à un autre et est protégée par un
code PIN (Personal Identification Number) ou CHV (Card Holder Verification).
Architecture d'un mobile
Gestion de la puissance
Les terminaux GSM sont divisés en cinq classes
CLASSE
PUISSANCE MAXIMALE
TYPE
1
20
VÉHICULAIRE
2
8
PORTABLE
3
5
PALMAIRE
4
2
PALMAIRE
5
0.8
PALMAIRE
La puissance de la MS détermine la capacité de la station de s'éloigner
des BTS du réseau tout en continuant d'utiliser le service.
La MS peut changer la puissance d'émission de façon dynamique sur 18
niveaux (pour pouvoir conserver la puissance de transmission optimale, en
réduisant les interférences entre canaux, utilisés sur les cellules adjacentes, et
la consommation du terminal).
Le contrôle de la puissance du signal est transmise à la MS par la BSS qui fait
de façon constante le monitorage de la qualité de la communication.
BTS (Base Transceiver Station)
• Points d'accès des utilisateurs mobiles au réseau GSM,
• Les BTS se matérialisent sous la forme d'antennes.
• Elles ont en charge l'accès radio des mobiles dans leur zone
de couverture.
•
Elles assurent les opérations de
modulation,
démodulation,
codage correcteur d'erreur
estimation de canal et égalisation.
•
Diffusent des informations générales sur la cellule qui sont utiles
aux mobiles
•
Remontent au BSC des mesures sur la qualité des transmissions dans la
cellule
•
Le placement et le type des BTS déterminent la forme des cellules
•
Pour éviter des pertes de signal à cause de la réflexion, on utilise 2 antennes en
réception placées à quelques longueurs d'onde l'une de l'autre. Ce système possède
l'avantage d'avoir au moins une antenne en réception recevant un bon signal.
Types d'antennes
Il existe deux types d'antennes
• Omnidirectionnelle (le signal est envoyé à 360°)
• Elles sont idéales pour couvrir les sites où la
densité d'abonnés est faible
• Diffuse sur une grande distance.
• Directionnelle (le signal est irradié en une seule
direction).
• placées dans des zones à plus forte densité
d'abonnés
• permettent d'émettre suivant un angle très précis
• Permet de réutiliser facilement le même canal
dans une autre cellule à proximité
BSC (Base Station Controller)
• Les BSC sont des concentrateurs de BTS
• Un BSC standard peut contrôler une soixantaine de BTS
• Un BSC gère les canaux radio
• Le BSC est connecté aux BTS par l'interface A bis et au MSC par
l'interface A
• La normalisation d'une interface revient à définir le jeu de messages
échangés de part et d'autre de cette interface, ainsi que la manière d'y
transporter les données
• Le contrôle d'admission des appels,
• Le contrôle de puissance
• La gestion des handovers (décide, sur la base des relevés reçus
par le BTS, le moment pour changer de cellule)
•
Le décodage des canaux radio Full Rate (16 kbps) ou Half Rate (8 kbps)
pour des canaux à 64 kbps.
Le sous-système réseau (NSS)
• Le sous-système réseau, ou NSS (Network SubSystem), s'occupe de
l'interconnexion avec les réseaux fixes, publics ou privés, auxquels est
rattaché le réseau mobile.
• Le sous-système réseau gère l'établissement des communications avec
les utilisateurs mobiles, utilisateurs dont il détient un profil.
• Les éléments du sous-système réseau sont les suivants :
• MSC (Mobile-services Switching Center), ou commutateur de service
• HLR (1-lome Location Register), ou base de données de localisation nominale
• VLR (Visitor Location Register), ou base de données de localisation locale
• l'EIR (Equipment Identity Register) qui contient la liste de tous les mobiles,
identifiés par leur IMEI, autorisés à fonctionner sur le réseau
• AuC (AUthentication Center), qui contient les codes PIN des cartes SIM
MSC (Mobile-services Switching Center)
• Le MSC est un commutateur numérique en mode circuit,
qui gère toutes les communications avec les mobiles
sous sa couverture.
• Il comporte des fonctions de taxation
• Il assure l'authentification de l'auteur de l'appel (pour
déterminer si l'utilisateur est en droit d’utiliser le service).
• Il peut assurer l'interconnexion entre le réseau mobile,
le PLMN, et le réseau téléphonique fixe, le RTC. (GMSC
ou Gateway MSC)
• Le MSC est relié aux BSC du BSS via l'interface A.
• Deux MSC sont connectés par l'interface E. (utilisée lors
de handovers inter-MSC).
HLR (Home Location Register),
Base de données de toutes les informations relatives aux abonnés du PLMN.
– IMSI,
– les numéros de téléphone classiques à douze chiffres,
– Les informations de chiffrement
– la localisation courante de l'abonné,(la référence du VLR de la
zone dans laquelle il se trouve)
• Un seul HLR logique par PLMN,
• Un HLR est mis en oeuvre au travers de plusieurs bases de données
redondantes reliées entre elles.
• Les abonnés sont identifiés comme par: MSISDN=CC/NDC/SN
– CC = Country Code, indicatif international (33 en France)
– NDC = National Destination Code, indicatif national de l'abonné sans le zéro
SN = Subscriber Number, numéro qui identifie l'utilisateur mobile
• Le HLR est implémenté dans des station de travail dont
les caractéristiques matérielles (mémoire, processeurs,
capacité et vitesse des des disques) peuvent être mis à
jour au fur et à mesure de l'augmentation du nombre
d'abonnés.
• Le HLR échange des information avec les autres
composantes du réseau
–
–
–
–
avec l'AUC et le VLR pour gérer la sécurité.
avec le VLR pour l'enregistrement de la position
dialogue avec le MSC pour calculer le prix de l'appel.
avec l'OMC et le VLR pour la gestion des données relatives à
l'abonné
Visitor Location Register
• Une base de données dans laquelle sont stockées les informations
relatives aux utilisateurs d'une région particulière.
• Possède les mêmes informations que dans le HLR, avec en outre :
– l'identité temporaire de l'utilisateur, ou TMSI,
– et sa zone de localisation, (un sous-ensemble de cellules dans lequel se
trouve l'utilisateur).
– La condition de la MS (en veille, occupée, éteinte)
– L'état des services complémentaires comme Call Waiting, Call Barring, etc.
– Les types de services auxquels l'abonné à souscrit et auxquels il a droit
d'accès (voix, service de données, SMS, d'autres services auxiliaires).
• En pratique, un VLR est souvent attaché à un MSC.
• Grâce aux VLR, les informations propres à l'utilisateur le suivent dans
ses déplacements.
– Il n'est pas nécessaire de contacter le HLR à chaque appel issu du mobile (
réduire le trafic de signalisation).
– Les appels vers le mobile doivent rechercher dans le HLR pour :
• L'association entre le numéro de téléphone du mobile et son I'IMSI
• Trouver le MSC-VLR courant.
Authentication Centre
• A pour but celui de vérifier si le service est demandé par un
abonné autorisé, (en fournissant soit les codes pour
l'authentification )
• Le mécanisme d' authentification ne nécessite pas de
transmettre sur le canal radio les informations (l’IMSI et la
clef de chiffrage)
• Le cryptage génère des codes secret qui serviront à protéger
les échanges sur le canal radio.
• L'authentification se fait de façon systématique chaque fois
que la MS se connecte au réseau
L'AUC ne peut pas être géré de loin pour de raisons de
sécurité.
Equipment Identity Register
• Base de données permettant de vérifier si un Mobile Equipment
(ME) d'accès au système.
• La base de données est divisée en trois sections:
– White List: contient tous les IMEI attribués à tous les opérateurs des différents
pays avec lesquels il existe des accords de roaming international.
– Black List: stocke tous les IMEI qui sont censés être bloqués (par exemple
ceux qui ont été volés).
– Grey List: contient tous les IMEI désignés comme faulty ou bien ceux qui sont
envoyés par des téléphones non homologués. (signalés aux opérateurs du
système à l'aide d'une alarme quand ils demandent l'accès)
• A chaque tentative de connexion, la MSC utilise l’EIR, avant
d'autoriser ou de refuser l'accès, pour vérifie d'un des cas suivants:
– Le terminal a été homologué pour la connexion avec un réseau GSM
– Le terminal n'a pas été volé ou utilisé abusivement
– Le terminal n'a pas été désigné comme faulty
Network Management Centre
• Assure les fonctions suivantes:
– L'accès à distance à tous les éléments qui composent le
réseau GSM
– La gestion des alertes et de l'état du système
– L ’enregistrement de toutes les données relatives au trafic des
abonnés (pour la facturation) .
– La supervision du flux du trafic dans les centrales et
l'introduction de changements éventuels dans le même flux.
– La visualisation de la configuration du réseau avec la
possibilité d'effectuer des changements à partir d'endroits
éloignés.
– La gestion des abonnés et la possibilité de localiser leur
position à l'intérieur de l'aire de couverture.
L'interface radio
• L’interface radio, ou interface air, permet la connexion sans
fil du terminal et du réseau.
• Constituée des mécanismes permettant l'émission et la
réception de signaux de radiofréquence de manière efficace
et sûre, quelles que soient les conditions de propagation.
• Cette couche physique inclut des moyens permettant
d'établir, de maintenir, de relâcher, et de particulariser les
différents types de liens établis entre le terminal mobile et
le réseau.
• La notion de canal logique permet de dissocier les
fonctions de ces différents liens.
Le canal physique
• Regroupe tous les moyens mis en oeuvre dans un système de
communication pour transmettre les informations d'un émetteur vers un
récepteur.
• Le système de communication définit les règles d'accès au médium
(utilise la méthode F-TDMA)
– Le temps est découpé en 8 intervalles (slots)
– La durée d'un slot est de 577 s (4,615 ms pour la trame)
– Le débit binaire sur cette trame est d'environ 270 Kbit/s
• Pour augmenter la diversité fréquentielle, il est possible de mettre en
oeuvre du saut de fréquence.
• Les voies montante et descendante sont séparées en fréquences (l'écart
duplex)
– 45 MHz pour le GSM 900
– 95 MHz pour le GSM 1800
• La bande de fréquences est découpée en canaux de 200 kHz
– 125 canaux dans la bande des 900 MHz ( 890-915 MHz dans le sens
montants et 935-960 MHz dans le sens descendant)
– 375 dans la bande 1710-1785 MHz
• Les voies montante et descendante utilisent une structure TDMA
identique mais avec un décalage temporel de trois slots.
• Cela évite qu'un mobile reçoive et transmette en même temps.
• Les canaux physiques permettent de transporter différents types
de canaux logiques de débits variés.
•
• Pour mettre en oeuvre cette variété de débits le GSM utilise une
structure de multi-trame. permettant d'obtenir des périodes
d'apparition spécifiques pour chaque type d'information :
– une multitrame à 26 trames, d'une durée totale de 120 ms,
– une multitrame à 51 trames, d'une durée totale de 235,38 ms.
Topologie des paquets GSM
• Les trois bits de tête et de queue du burst permettent à l'émetteur
d'atteindre le niveau nominal de puissance puis de le rabaisser.
• La séquence d'apprentissage permet au récepteur de se synchroniser sur le
burst et d'estimer le canal de propagation. Cette position permet de
minimiser les erreurs d'estimation, inévitables du fait de la variabilité
temporelle du canal.
• Le délai de garde protège le slot suivant des inexactitudes d'alignement
temporel de l'émetteur.
• Pour compenser les différences de temps de propagation entre tous les
utilisateurs d'une cellule et garantir en conséquence l'intégrité de la trame
TDMA vue par la station de base, le GSM définit une compensation
temporelle, ou timing advance, grâce à laquelle les mobiles les plus
éloignés sont invités à transmettre plus tôt.
• Les deux blocs de 58 bits permettent de transporter des données utilisateur
ou de la signalisation.
– 2 bits (1 bit dans chaque bloc) servent à indiquer la présence éventuelle de la
signalisation rapide.
– Avant d'être placés dans les bursts, les bits d'information sont codés et
entrelacés
Protection contre les erreurs
•
•
•
•
Le GSM combine des codes en blocs et des codes convolutifs.
Les codes convolutifs sont utilisés pour corriger les erreurs de transmission.
Ils sont de taux 1/2, de longueur de contrainte 5 et de polynômes générateurs
définis par les formules
Les bits issus du codec sont séparés en trois classes , en fonction de leur
importance, et sont ensuite protégés des erreurs de transmission de façon
distincte
50 bits
données
3 bits
CRC
132 bits
données
4 bits
CRC
Codage convolutif
378 bits données protégées
78 bits
données
Transmission de la voix
voix plein débit.
• Le signal de parole est numérisé par blocs de 20 ms à l'aide
d'un algorithme standardisé sous le nom de RPE-LTP
(Regular Pulse Excitation-Long Term Prédiction),
• Un bloc est code sur 260 bits.(débit codec = 13 Kbit/s)
• D'autres codecs, produisant des débits encore plus faibles
ou des qualités subjectives supérieures, ont été standardisés
dans le GSM, tels que le codage demi-débit (Half Rate) ou
le codage plein débit amélioré (Enhanced Full Rate).