Histoire des radio-mobiles

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. Chronologie de la norme 1979 Union International des télécoms alloue la bande 900 MHz 1982 Les sous-bandes 890-915 pour Tx et 935-960 pour Rx sont fixées 1983 Le « Group Special Mobile » est crée par l’EUROPE 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. 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. Evolution des débits Débits (kb/s) UMTS UMTS 1000 Annonce GPRS UMTS 100 GPRS GSM Realité 10 Année 1996 1998 2000 2002 2004 2006

5. Les normes mondiales GPRS GSM SMS Wap UMTS PDC W-CDMA 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 TDMA-Edge AMPS UWC-136 IMT 2000

6. Abonnés mondiaux Millions d’abonnés 1250 1000 750 400 500 250 1997 2000 2003

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

8. Norme DECT GSM DCS UMTS BlueTooth 2400 Fréq 1880 900 1800 1900 0.01 P (W) 0.25 2/8 1 1 Portée Km 0.01 0.15 30 20 20 Répartition des fréquences

9. Antennes c= 300000 km/s, f = fréquence en Hertz,  = longueur d’onde en m l = c/f GSM: 935MHz l = 32 cm l /4 = 8cm Longueur antenne = l/4

10. Allocation des fréquences f(MHz) Tx Rx GSM Descendante (Rx) 890 915 935 960 Montante (Tx) mobile 1-2Watts Station de base 300 Watts f(MHz) Tx Rx DCS 1800 1710 1785 1805 1880

11. Fréquences des opérateurs La bande de fréquence est découpée en sous-bande de 200 kHz GSM : [890+nx0.2] MHz à 915MHz DCS 1800 : [1710+nx0.2] MHz à 1785MHz Tx 890 895 905 915 Répartition des bandes entre opérateurs (idem pour Rx) Operateur 1 Operateur 2 Operateur 3

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. Répartition des fréquences 2 1 3 2 6 6 3 7 1 7 4 7 4 5 1 2 3 4 5 6 7 f 5 935 nx0,2 960

14. Recherche les pics d’énergie • Mémorise les 5 majeurs • Sélectionne le meilleur Choix de l’émetteur 935 960

15. Attribution des canaux Distance nécessaire au duplex 45 MHz Amplitude 200KHz 200KHz 890 Frequence(MHz) 935 Multiplexage temporel (TDMA) R1 935 T8 T1 T1 890 Temps 577µs 4.61ms

16. Multiplexage temporel Frequence(MHz) 891.0 Trame TDMA 890.8 890.6 890.4 0 1 2 3 4 5 6 7 577µs 4.61ms Temps

17. Données transmises pendant 1 IT 4,61 ms 0 1 2 3 4 5 6 7 BS Données encryptées Données encryptées 3 bits 57 bits 1 26 1 57 bits 3 bits Durée du paquet 546 µs Sequence d’apprentissage 00100 10111 000010 00100 10111 Intervalle de garde 30,4µs Durée de l’IT (slot) 577µs 577 * 8 = 4,61 ms

18. Codage de la parole Le principe consiste à transmettre les coefficients d’un modèle mathématique et son signal d’excitation qui permet de reconstituer 20 ms de parole Coefficients du filtre de génération des fondamentaux (36 bit) 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 8 260 260/20ms = 13kbits/s Coefficients du filtre LPC (36 bit) Signal d’excitation 188 bits Parole reconstituée Modèle 78 Bits de classe III 50 Bits de classe I • Les bits les moins sensibles sont: • les 13 poids faibles des 4 s/séries • -le poids faible de l’énergie max • -les 6 bits restants du LPC • -les 4 bits restant des fondamentaux • Soit 78 bit • 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 d’excitation • Soit 50 bit Reste 132 Bits de classe II

19. 1 2 3 4 5 6 7 8 Encodage des données 13 kbit/s 20 ms de parole 260 bit Codage Canal 22,8 kbit/s 456 bit 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. Codage canal (Bande de base) Ajout d’un CRC de 3 bit aux 50 bit classe I 53 bits Ajout des 132 bits de classe 2 + 4 bits de purge de registre 189 bits Codeur convolutionnel de facteur 2 378 bits Ajout des 78 bits de classe III Soit 57 x 8 = 456 bits 456 bits

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. g’ C’ C g’’ C’’ g’ = D4 + D3 + 1 g’’= D4 + D3 + D + 1 Le code C est formé en prenant en alternance C’ et C’ Le décodage est nettement plus complexe. L’algorithme de Viterbi estime à chaque coup d’horloge l’état des 4 bascules du registre de codage en tenant compte du modèle gaussien des erreurs

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 B7B8 B9 B10………………………….B16………………………………..B440………………………………..B447B448 B455A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 8 demi-blocs d’intervalle de temps

23. Modulation Modulateur d’amplitude s(t) 00 01 Phase de l’oscillateur A Ampli additionneur B x(t) 10 11 p/2 Oscillateur • 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. Gestion des canaux du GSM La complexité d’un 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 l’information aux mobiles (fréquences utilisées, appels divers …) - adapter en permanence les émissions radio du mobile au profil du canal alloué Roland Gerber

25. Les canaux logiques GSM Les canaux de trafic Canaux 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 dédiés Canal de signalisation Numérotation à un mobile SDCCh 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. Les canaux logiques Les canaux de diffusion Canal de correction Calage de la porteuse (Broadcast) de fréquence BCh (Voie balise) FCCh Canal de synchronisation Synchronisation SCh temporelle Canal de contrôle général Information système BCCh Les canaux de contrôle Canal d’appel Appel du mobile communs à accès partagé PCh CCCh Canal d’accès aléatoire Demande de connexion RACh du mobile Canal d’allocation des Allocation des ressources AGCh ressources radio Canal des messages Diffusion de message CBCh inter-cellules

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 d’émission du mobile - fournit le temps d’avance d’émission à l’intérieur de l’IT 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 d’informations sont de 23 octets (184 bit).Il s’agit d’un canal de données transportées en mode connexion LAPD. Ces blocs d’informations 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, d’où le nom de canal lent

28. Les canaux dédiés (suite) FACCh (Fast Associated Control Channel) Le débit du canal SACCh n’est 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 0 1 2 3 4 5 6 7 4,61 ms Données encryptées Données encryptées 546 µs 3 bits 57 bits 1 26 1 57 bits 3 bits 577µs

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) 120 ms 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 d’une multitrame 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 d’une multitrame FACCh

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 d’une 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. 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… d’une 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 l’instant dans l’IT 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 d’apprentissage allongée de 64 bit ( au lieu de 26) - un numéro de trame 19 bit - un code qui permet d’identifier la station de base qui émet (6bit) Ces derniers 25 bit + 10 bit de CRC + 4 bit de traîné sont convolués d’un 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. 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 d’apprentissage 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 l’arriver 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 d’un paquet SCh permet au mobile de trouver le n° de la trame courante sur le canal de trafic TCh

33. Egalisation Les séquences binaires de synchronisation permettent l’égalisation 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 f(t)/ x(t) x(i) x(i-1) x(i-2) ……………..x(i-n) t h0 h 1 h 2 h n y(t) S Les coefficients hi sont calculés régulièrement par un calcul des variations et sur une séquence d’entrée spécifique dont la sortie y(t) est connue à l’avance Seuils de décision

34. Diffusion d’informations 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 d’information de 23 octets (184 bit) Pour l’encodage il s’ajoute 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 l’organisation 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 l’accès aléatoire du mobile à la station (f et slot) - La confirmation de l’inscription du mobile sur cette station

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 L’encodage canal est 8 + (6 CRC + 6 N° de station) modulo 2 = 14 bit Le code convolutionnel donne (14 + 4 traînée) x 2 = 36 bit Format du paquet à insérer dans un slot Séquence de synchronisation Bits de données 8 41 36 3 68,25 bits de bourrage Slot 577 µs 156,25 bit La station de base répond sur le canal AGCh (Acces Grant Channel) et alloue un canal de signalisation dédié à la requête

36. Les canaux de contrôle commun Canal AGCh (Acces Grant Channel) Sur ce canal la station de base renvoie un message d’allocation de 23 octets qui deviennent 8 blocs de 57 bits envoyés sur 4 IT Le message d’allocation 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 d’appel de 23 bit qui renferme l’identité 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. 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 s’agit 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. Protocole LAPD 8 7 6 5 4 3 2 1 Fanion Champ Adresse locale Champ de contrôle Nb octets info Information CRC Fanion Le fanion sert à repérer le début de trame Le champ adresse donne une adresse qui est temporaire durant la communication, il permet d’identifier le terminal et quelque fois la couche de niveau supérieure à activer Le champ de contrôle donne la nature du présent paquet - paquet d’établissement de la connexion - paquet d’information 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 d’information transporte les données, Dans le cas d’un paquet d’initialisation, ce champ transporte l’identificateur du destinataire CRC Champ de controle des erreurs C/R

39. Sécurité du protocole LAPD Terminal Routeur Base de données abonnés Routeur Terminal Routeur Le paquet d’initialisation d’une 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 d’entrée 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. Terminal Terminal

40. Protocole LAPD pour mobile 1 2 3 4 5 6 7 8 Champ adresse Champ de contrôle Nb Octets information Information Octets de bourrage 123423 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) • l’authentification, l’allocation 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 l’entité de traitement adapté

41. BTS BTS BTS BTS BTS BSC BSC BSC MSC MSC Architecture du réseau Interface A bis Voix 13 kbit/s Canaux 16 kbit/s Interface A Voix 64 kbit/s Canaux MIC VLR RTC HLR 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 VLR

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

43. Fonctions respectives BTS - Transmission radio : modulation, égalisation , codage d’erreurs multiplexage TDMA, saut de fréquence, mesures radio ( transmises à BSC) - Gestion des couches liaison LDAPm et LDAP Remarque Une BTS peut comporter jusqu’à 16 porteuses mais dans la pratique moins de 10 dont la balise soit une capacité d’environ 72 communications simultanées. La puissance émise dépend de la zone à couvrir et peut aller au maximum jusqu’à 300 Watts MSC - Commutation MIC - Passerelle avec le réseau fixe - Gestion de VLR - Transmission des messages courts SMS Capacité 100 000 abonnés/ 0,025 erlang 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 13 64 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 100- 1000 communications

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

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

46. Canal de signalisation Réseau radio mobile SDCCh ou SACCh Serveur de messagerie Serveur de messagerie MSC Serveur de messagerie Réseau SMS 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 SDCCh Signaling Data Control Channel

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

48. IMSI (International Mobile Subscriber Identity) MCC MNC H1 H2 MSIN Nb de digits 3 2 10 Identification des utilisateurs 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) TMSI (Temporary Mobile Station Identity) N° d’appel temporaire du mobile Ce N° est attribué à la connexion par VLR MSISDN ( Mobile Station ISDN Number) N° de téléphone de l’abonné CC 6 AB PQ MCDU CC 33 pour la France 6 abonné mobile AB donnait l’identité de l’opérateur PQ adresse logique du sous6ensemble HLR MCDU adresse logique de l’abonné dans HLR

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 jusqu’à 2 Mbit/s (vidéo…) Démarrage en France 2004 ?

50. Modulation CDMA T T T T T 1 0 0 1 0 Données Code Emission D x C Code Réception D x C