La Télécommunication mobile GSM

La Télécommunication mobile GSM Stéphane VERA année 2003/2004 La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

Plan du cours 1- Introduction aux réseaux GSM 2- La communication cellulaire 3- Architecture des réseaux GSM 4- Les services GSM 5- La carte SIM dans les réseaux GSM La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

1- Introduction aux réseaux GSM La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

1.1 Objectif d ’un système de radiotéléphonie public performant: • Communiquer entre abonnés par transmission de la voix ou de données, • Grande capacité de desserte d'abonnés, • Compatibilité à l'échelle nationale, • Large disponibilité, • Adaptabilité à la densité du trafic, • Qualité du service téléphonique • permanence du service, • fiabilité d’accès, • rapidité, • confidentialité, • authentification (sécurité, facturation), • Prix abordable, • Proposer des services à valeur ajoutées • renvoi d ’appel, call conf, présentation du numéro appelant, • échange de photos, • téléchargement (logos, fond d’écran, sonneries, ...), • Information (météo, actualité, sport, bourse, ..), • divertissement (jeux, musique, cinema, TV, horoscope,..) • guide (RATP, SNCF,…) • Utilisation efficace du spectre radioélectrique. La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

1.2 Historique de la téléphonie mobile • 1er Génération : réseaux cellulaires analogiques • 1970 : premier concept de radiotéléphonie mobile cellulaire : des zones distinctes dans lesquelles les mêmes canaux peuvent être réutilisés plusieurs fois • l'AMPS: Advanced Mobile Phone System, est expérimenté à Chicago où il devient opérationnel en 1978, • 1979 : une bande de fréquences autour 900 MHz est réservée pour les communications mobiles • dans les années 80 • Réactions Européennes : • 1981 - le NMT: Nordic Mobile Telephone, à 450 ou 900 (en 1986) MHz, développé en Scandinavie et très répandu en Europe (qui, après l'abandon de l'AMPS par les Américains, devient le premier service de radiotéléphonie cellulaire opérationnel dans le monde). • 1985 - puis le TACS: Total Access Cellular System, à 900 MHz, surtout utilisé en Grande-Bretagne, • 1986 - Radiocom2000 450 & 900 MHz. Premier service de téléphonie mobile embarquée dans les voitures.. Inconvénients, elle utilise des fréquences très étalées, peu efficaces, qui, de surcroît, sont gênées par les réseaux hertziens des chaînes de télévision. • plusieurs autres systèmes spécifiques (Japon, Allemagne, Italie,…) qui peuvent être considérés comme des variantes reposant sur les mêmes principes. => un grand nombre de standards incompatibles La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

2ième Génération : réseaux cellulaires numériques - commutation de circuit • 1992 : exploitation commerciale du GSM incluant le DCS 1800 et DCS 1900, • 1994 : lancement du Personal Digital Cellular (PDC), • 1995 : lancement commercial de cdmaOne (IS-95) par l ’opérateur Hutchison Telecom, • TDMA (ANSI-136) utilisé en Amérique et Asie Pacifique • 2,5G : réseaux cellulaires numérique - commutation de circuit et de paquets • 2002 : Orange France a ouvert la voie du GPRS • 3G : réseaux cellulaires numériques - commutation de circuits et de paquets à fort taux de transfert • UMTS • EDGE • CDMA2000 (extension de l’IS-95) La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

1.3 Panorama des réseaux mobiles Extérieur Satellites TFTS, GPS LEOS Paging ALPHAPAGE OPERATOR TAM-TAM KOBBY TATTOO GSM + Evolutions (GPRS/EDGE/UMTS) 2G  2,5G  3G BI-BOP POINTEL CT2 MOBIPAC TETRA GSM-Rail Grand Public PABX sans fil Wireless LANs Corporate-GSM Applications professionnelles Téléphonie sans fil Home-RF, Bluetooth, Swap Intérieur La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

GEOS: Geostationary Earth Orbit Satellites • Réseaux Satellites Télécoms (orbite = 36000km) • En France: Réseau Telecom 1 + 2 • grande capacité de transmission • capacité de diffusion a l'infini • grande couverture (1/3 Terre) • problèmes conditions atmosphériques • délais de propagation (250ms) • encombrement de fréquences • Intelsat, Eutelsat, Immarsat....... • LEOS: Low Earth Orbit satellites • Orbite à 800km: des centaines de satellites nécessaires • Futurs projets d’une multitude de petits satellites en orbite faible pour découvrir toute la surface terrestre • Projet Teledesic (Bill Gates MICROSOFT, 840 satellites, à 800km d'altitude) • Projet Irridium (MOTOROLA, FRANCE TELECOM), • Projet Globakstar (ALCATEL) • MEOS: Medium Earth Orbit satellites La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

1.4 Définition du GSM • GSM « Global System for Mobile » (origine « Groupe Special Mobile »), • Groupe de standard permettant d’établir une communication par téléphone mobile au travers d’une liaison radio, • Qualités fondamentales : • Gestion de l’errance (roaming) internationale, • Distinction d’identification entre les usagers et les combinés, • Excellente qualité de discussion, • Possibilité d’adresser un fort volume d’utilisateurs, • Coûts des terminaux et services associés le plus bas possible, • Larges éventail de services, • …. La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

1.5 Historique du GSM • 1982 Création du « Groupe Spécial Mobile » pour la spécification d’un futur système de téléphonie mobile Réservation de deux plages de fréquences : 890 - 915 Mhz : uplink : Mobile vers Station de Base 935 - 960 Mhz : downlink : Station de Base vers mobile • 1985 Choix de la transmission numérique AMRT (TDMA) : choix du type de modulation, du codage de canal et du codage de la parole • 1987 Signature du MOU (Memorandum of Understanding) par les opérateurs telecom de 12 pays européens pour le déploiement du système GSM • 1987 Création de SFR • 1988-89 Validation du système GSM. La responsabilité des spécifications GSM est assumée par l ’ETSI (European Telecommunication Standardisation Institute) • 1991 Première communication GSM entre un mobile et un abonné RTC, premiers mobiles (Alcatel, Matra, Motorola, Orbitel). La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

1992-93 Lancement commercial du GSM900 Premier SMS envoyé depuis un PC vers un mobile sur le réseau Vodafone Ouverture du réseau et première offre commerciale française : Itineris de France Telecom Mobile Première communication GSM entre un mobile et un abonné RTC, premiers mobiles • 1994 Création de Bouygues Telecom La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

1.6 Les phases du GSM • GSM phase 1 • Principaux services de base + quelques services supplémentaires • GSM Phase 2 • Tous les services de bases + tous les services supplémentaires • unification des systèmes GSM 900 et DCS 1800 => le GSM fait référence aux 2 systèmes • SMS (Short message service), • … • GSM Phase 2+ : disponible depuis 1998, mets à jour et améliore les services existants • SIM Enhancement (STK ou Sim Tool Kit) La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

1.6 Le GSM en quelques chiffres La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

Classement par nombre d'abonnés(Source Idate - septembre 2001) La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

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2- La communication cellulaire La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

ANTENNE CELLULE Liens de signalisation Connexions terrestres 2.1 Les principes de mobilité La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

2.2 La communication cellulaire • Inconvénient des types de communication radio conventionnels • La majorité des dispositifs radio (diffusion télévisuelle et radio) sont conçus pour une zone de couverture maximale d’où fonctionnement des émetteurs à la puissance maximale autorisée par les autorités des télécommunication (l’ART en France), • Les zones couvertes dépendent de la puissance de l’émetteur et du relief, ceci engendre 2 problèmes : • Si un émetteur souhaite utiliser une fréquence déjà utilisée par un autre émetteur, la distance les séparant doit être suffisamment grande pour que l’on ne rencontre pas de zone où les deux signaux se mélangent et deviennent inexploitables, • A cause des obstacles naturels présents, il existe des zones qui ne font pas parties des zones couvertes par les émetteur. • Atténuation de la puissance : avec Pr = Puissance Reçue Pe = Puissance Emise d = distance La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

L’approche cellulaire • Le but est de maximiser le nombre de communications que l’on peut transmettre • donc tenter de réutiliser le plus possible les fréquences. • Les réseaux cellulaires (ceux utilisés pour le GSM) sont donc composés de nombreux émetteurs de puissance réduite disséminés sur toute la zone de service à couvrir. Cette zone est découpée en cellules, chacune d’elles contient un émetteur, • L’avantage d’un tel système est de pouvoir contrôler la distance entre 2 émetteurs réutilisant la même fréquence. La réutilisation des fréquences de manière optimale, minimisant ainsi les coûts de design du réseau, n’est possible que si le motif de découpage en cellule est régulier. La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

motifs de réutilisation des fréquences N = 3 et N = 7 • Il est alors possible de choisir plusieurs approches. On peut choisir de réutiliser plus ou moins les fréquences que l’on a à notre disposition. Lorsque le coefficient de réutilisation noté N varie, on peut obtenir différents découpages en cellules possibles. Les cellules marquées avec le même numéro utilisent les mêmes fréquences. La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

2.3 Géométrie d’une cellule • On considère que la cellule à une forme hexagonale. On obtient ainsi un découpage régulier qui va permettre de satisfaire aux besoins des calculs effectués ci-après. Soit R la distance entre le centre d’une cellule et un de ses points les plus excentré. • Distance entre deux cellules • On cherche à calculer la distance entre deux cellules. Si on se place dans une base orthonormale (ō, ū), on ne peut pas repérer facilement les différents cellules. Si on se place dans une base : (ā,ē) telle que ē = ū et ā = cos(30) ō + sin 30 ū , alors on peut repérer simplement les différentes cellules. Ce repérage s’effectue avec deux entiers i et j. • La distance D entre deux cellules C1 de coordonnées (0,0) et C2 de coordonnées (i,j) est égale à : • D=(i² + j² + ij)1/2 • De plus en intégrant R à cette équation on obtient : • D²=3R² (i² + j² + ij) La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

Rapport avec N • On a défini N comme le nombre de cellules différentes que l’on a sur un réseau. Les cellules vont être regroupées par N. A l’intérieur de ce regroupement, les cellules n’utilisent les mêmes fréquences deux à deux. L’intérêt de composer de tels regroupements est que l’on va pouvoir maximiser la distance entre deux cellules utilisant les même plages de fréquence, comme le montre les schémas de découpage. • Si D est la longueur d’un coté de l’hexagone de coté D, on est donc en mesure pour un coefficient de réutilisation des fréquences donné d’obtenir le rapport D/R correspondant et vice vers çà. • D/R=q=31/2 N • avec N = (i² + j² + ij) • On peut remarquer au passage que d’après la formule de N il n’existe pas de i et j tels que N = 2. Cela prouve donc que pour un N donné, il n’existe pas toujours un motif de placement de cellules qui correspond à cette situation. Dans le cas N = 2 c’est facilement vérifiable. La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

2.4 Les différentes cellules • Macro Cellules • Zones à population dispersée ( diamètre: 10-30km) • Usage: voiture, train, etc…. • Micro Cellules • Zones à population très denses ( 100 à 300m); Usage: piétons • L’utilisation de petites cellules permet l’optimisation des canaux de transmission et une meilleure précision dans la localisation. • Pico Cellules • Réservé aujourd’hui aux réseaux de proximité ( > 10m) • Concept repris dans l’UMTS • Cellules sélectives • Les cellules n’ont pas toujours besoin d’une couverture de 360 degrés • Cellules « parapluie » • Pour éviter un nombre trop important de commutations entre cellules, il est possible de créer des regroupements de cellules. La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

2.5 Handover & Roaming • Handover : Mécanisme permettant le transfert automatique d’une transaction en cours d’une cellule vers une cellule, sans perturber la communication. • Roaming : Mécanisme permettant d’offrir les mêmes services de télécommunications mobiles à des clients (roamers) abonnés à d’autres réseaux ou dans d’autres pays. La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

3- L’architecture GSM La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

3.1 Overview BTS = Base Transceiver Station BSC = Base Station Controller MSC = Mobile Switching Center VLR = Visitor Location Register HLR = Home Location Register AuC = Authentification Center RTC = Réseau Téléphonique Commuté OMC = Operationing and Maintenance Center La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

HLR = Home Location Register VLR = Visitor Location Register MSC = Mobile Switching Center EIR = Equipment Identify Register BSS = Base Station Sub-System BSC = Base Station Controller BTS = Base Transceiver Station • Chaque Mobile Station (MS) comprend: • ME = Mobile Equipment • SIM = Subscriber Identity Module La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

3.2 Architecture matérielle du sous-système fixe • MSC • Gère les communications et les échanges avec les utilisateurs • Gère les échanges avec un autre MSC, • Gère la transmission des messages courts • Initialise l’établissement et la rupture des communications • Initialise le mode de transmission, • Gère les procédures pour les interactions entre BSCs. Il dialogue en permanence avec le VLR (Handover) • En général: un opérateur gère un MSC par région La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

3.2 Architecture matérielle du sous-système fixe • HLR • Maintient et remet à jour les informations de localisation et de profils de services des clients abonnés chez un opérateur • Gère les abonnés d’un PLMN, • Mémorise les caractéristiques de l’abonné (IMSI, MSISDN, profil d’abonnement, id VLR) • VLR • Maintient et remet à jour ces mêmes informations de localisation et de profils de services pour des clients visiteurs en situation de roaming • Cette fonctionnalité, bien qu’indépendante, est le plus souvent intégrée dans le switch (MSC) • AuC = Autentication Center • Réalise l’encryptage des informations radio. • Equipment Identify Register EIR • Base de données annexe contenant les identifications des terminaux – très peu utilisée La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

3.3 Architecture matérielle du sous-système radio • Base Tansceiver Station (BTS) • Composé d’émetteurs/récepteurs, • Gère la modulation, démodulation, l’égalisation le codage et la correction d’erreurs de la transmission radio, • Mesure la connexion et transmet les data à la BSC • Limité à 16 porteuses (environ une centaine de communications simultanées), • Gère la couche physique et liaison de données pour l’échange de signalisation entre le mobile et l’infrastructure. • Base Station Controller (BSC) • Organe intelligent du BSS, • Gère les ressources radio, • Gère l’allocation de canaux, • Gère le mode de transmission radio, • Maintient les connexions radio, • Supervise et analyse les transferts inter-BSCs (handover), Lancement du handover en fonction des mesures de la communication réalisées par la BTS. La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

3.4 Sous-système d’exploitation et de maintenance • La maintenance a pour but d’offrir un certain niveau de qualité aux usagers, • Facturation, statistiques, gestion des abonnements, … • Gestion de la sécurité, • Gestion des performances, • Configuration du système, • Maintenance des équipements, • Réalise l’encryptage des informations radio. • OMC = Operation and Maintenance Center • Proche du réseau, • Supervise les BTS et BSC, • Supervise les MSC et VLR, La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

3.5 La Station Mobile (MS) • Les stations mobiles sont les téléphones portables • Munie de carte(s) SIM, • Fabriqués par Alcatel, AEG, Ericsson, Motorola, Nokia, Orbitel, Philips, Siemens,… • La majorité des MS pour le GSM 900 sont de classe 4 => puissance 2W • La majorité des MS pour le DCS 1800 sont de classe 1 => puissance 1W La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

3.6 Le codage de la voix • Le GSM étant un moyen de communication numérique, et le son de la voix étant un phénomène ondulatoire, il est nécessaire de réaliser une numérisation du son de la voix pour pouvoir la transmettre. • Les techniques utilisées pour le GSM Dans le cadre de la norme GSM on utilise des codages de type hybride. Il existe deux variantes autour de ce codage : le half rate et le full rate . • Half rate Il s’agit d’un codage basé sur la famille des VSELP (Vector-Sum-Excited Linear Prediction). Le résultat produit une flux de 5.6kbps. Ce modèle est aussi basé sur un modèle mathématique de la voix. En plus d’utiliser des facteurs de prédiction à cours et à long terme de l’évolution du signal, on utilise des tables préétablies d’échantillons de voix. • Full rate Le codage est basé sur le LPC-RPE. Ce codage produit un flux de 12-13kbps. La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

3.7 Partage de la ressource radio • Le spectre radio a des ressources limitées, partagées entre tous les utilisateurs. La méthodologie de partage de bande-passante est une combinaison entre multiplexage temporel et multiplexage fréquentiel (TDMA/FDMA). • FDMA (Frequency Division Multiple acces) utilise 124 fréquences de transmission dans la bande des 25 MHz. A chaque station de base (BS) sont associées une ou plusieurs fréquences. • Dans le TDMA (Time Division Multiple Acces), chaque fréquence de transmission est découpée en canaux logiques. Chacun des 124 canaux est partagé en 8. Il est donc possible de faire passer 8 conversations simultanées sur une de ces canaux. • On dispose de deux bandes de fréquences réservées pour le trafic : une pour les communications de la base vers le mobile et une pour les communication du mobile vers la base, 890 - 915 Mhz : uplink : Mobile vers Station de Base 935 - 960 Mhz : downlink : Station de Base vers mobile La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

On dispose donc de 124 canaux sur la liaison montante et de 124 canaux sur la liaison descendante. Pour établir une connexion en full-duplex, on utilisera les canaux qui portent les mêmes numéros sur la liaison montante et sur la liaison descendante, et sur ces canaux on utilisera les trames de TDMA qui portent le même numéro. Si on émet dans l’emplacement de TDMA numéro 1 sur la ligne montante, on fera de même sur la ligne descendante. • Multiplexage temporel permettant à 8 utilisateurs de partager le même canal de fréquence : La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

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Nom Localisation Utilisation UM MS -- BTS Interface radio Abis BTS -- BSC Divers A BSC -- MSC Divers C GMSC -- HLR Interrogation HLR pour appel entrant C SM-GMSC -- HLR Interrogation HLR pour message court entrant D VLR -- HLR Gestion des informations d'abonnés et de localisation D VLR -- HLR Services supplémentaires E MSC -- SM-GSMC Transport des messages courts E MSC -- MSC Exécution des handover G VLR -- VLR Gestion des informations d'abonnés F MSC -- EIR Vérification de l'identité du terminal B MSC -- VLR Divers H HLR -- AUC Echange des données d'authentification 3.8 Détail des interfaces dans un système GSM La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

3.8 Etablissement d’une communication entre 2 utilisateurs La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

Le Téléphone mobile se connecte au BTS La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

Connexion au BSC (gestion de la ressource radio, peut gérer plusieurs BTS, analyse de puissance d’émission du mobile) La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

Connexion au MSC (responsable de l’établissement de la communication) La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

Le MSC récupère des données des 3 bases • HLR (info de l’utilisateur), • AuC (clef d ’authentification) • EIR (n° de série du mobile) La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

Le MSC se connecte (si besoin) a un autre MSC La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

Le MSC cible va chercher les informations du destinataire dans le VLR • Le VLR reçoit des HLR les informations concernant tous les abonnés mobiles qui pénètrent dans son secteur et fournit aux MSC les données nécessaires au traitement de l’appel La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

Connaissant la localisation de l’abonné recherché, on établit la connexion La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

HPLMN VPLMN • Mobility: Le « roamer » est appelé par un téléphone fixe Wireline Network GSM Home Network GSM Visited Network Le HLR en recevant le MSRN le transmet au MSC BTS BSC VLR MSC L’MSISDN est numéroté par l’appeleant. L’appel est routé vers le MSC le plus proche .... HLR BTS SCCP Gateway SCCP Gateway MSC BSC Le HLR traduit le MSISDN en IMSI et intérroge le VLR du mobile en utilisant l’IMSI VLR Le VLR attribue un MSRN et transmet ce numéro au HLR La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

Call Set-up • Mobility: La communication est établie Wireline Network GSM Home Network GSM Visited Network Le MSC appelle le mobile en utilisant un id temporaire le TMSI (attribué lors de la MAJ de la localisation ou de l’inscription) Le MSC établit l’appel vers le MSC courant du mobile BTS BSC VLR MSC .... HLR BTS SCCP Gateway SCCP Gateway MSC BSC VLR La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

Numérotation liée à la mobilité : Le GSM utilise 4 types d’adressages liés à l’abonné : • L’IMSI (identité invariante de l’abonnée) : n’est connu qu’à l’intérieur du réseau GSM. Cette identité doit rester secrète autant que possible • Le MSISDN est le numéro de l’abonné, c’est le seul identifiant de l’abonné connu à l’extérieur du réseau GSM, L’exemple français: 33 06 AB PQ MCDU 33 = CC 06 regroupe tt les abonnés mobile AB (07, 08 et 04 pour France Telecom; 09 et 04 pour SFR, 60, 61 et 18 pour bouygues Telecom) PQ numéro du HLR du réseau GSM MCDU numéro de l’abonnée dans le HLR La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

Le TMSI est une entité temporaire utilisée pour identifier le mobile lors des interactions Station Mobile-Réseau, • Le MSRN est un numéro attribué lors de l’établissement de l’appel. Sa principale fonction est de permettre l’acheminement des appels par les commutateurs (MSC). La télécommunication mobile - Stéphane VERA - sept 2003

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