8, quai du Marché Neuf Paris

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2 Réseaux GSM

3 r ~~~ ~ -1 0 HERMES Science Publications, Paris, 1995, 1996, 1997, 1999, 2000 HERMES Science Publications 8, quai du Marché Neuf Paris ISBN 1 re édition, ISBN 2e édition, ISBN 3e édition, ISBN 4e édition, ISBN 5e édition, ISSN Serveur web : hermes-science.com Catalogage Electre-Bibliographie Lagrange, Xavier*Godlewski, Phi1ippe"Tabbane Sami Réseaux GSM. - 5e édition. - Paris : Hermès Science Publications, 2000 (réseaux et télécommunications) ISBN RAMEAU : GSM (radiotéléphonie) radiocommunications mobiles téléphonie mobile publique DEWEY : : Physique appliquée. Systèmes, réseaux et services des télécommunications : Physique appliquée. Radiocommunications Le Code de la propriété intellectuelle n'autorisant, aux termes de l'article L , d'une part, que les << copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective >> et, d'autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d'exemple et d'illustration, << toute représentation ou reproduction intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est illicite )) (article L ). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles L et suivants du Code de la propriété intellectuelle.

4 Réseaux GSM des principes à îa norme 5e édition revue et augmentée Xavier Lagrange Philippe Godlewski Sarni Tabbane

5 EXTRAIT DU CATALOGUE GÉNÉRAL SDL - modélisation de protocoles et systèmes réactifs, Zoubir MAMMERI, Les réseaux radiomobiles, sous la direction de Xavier LAGRANGE, Introduction aux méthodes formelles, 2e édition revue et augmentée, Jean-François MONIN, Nouveau guide des modems, Daniel BATTU, Théorie des files d'attente - des chaînes de Markov aux réseaux à forme produit, Bruno BAYNAT, Réseaux haut débit, 2e édition revue et augmentée, Pierre ROLIN, Réseaux locaux et Internet - des protocoles à l'interconnexion, 2e édition revue et augmentée, Laurent TOUTAIN, Les services télécoms, Chantal AMMI, Technologie des télécoms, 2e édition revue et augmentée, Pierre LECOY, La concurrence dans les télécoms - stratégies et perspectives, Chantal AMMI, UNIX - utilisation, administration système et réseau, 3e édition revue et augmentée, Christian PÉLISSIER, Stratégies des opérateurs de télécoms, Pierre VIALLE, Principes de commutation numérique - du téléphone au multimédia, Claude RIGAULT, Introduction aux réseaux, Xavier LAGRANGE, Dominique SERET, Les réseaux intelligents - ingénierie des services de télécommunication, Simon ZNATY, Marie-Pierre GERVAIS, Les réseaux synchrones étendus PDH et SDH, Gérard BOUYER, Réseaux mobiles, Sami TABBANE, Autoroutes ATM, Jean PELLAUMAIL, Patrice LEGUESDRON, Pierre BOYER, Câblage haut débit - voix - données - images, Antoine DELAHOUSSE, Les réseaux - principes fondamentaux, Pierre ROLIN, Gilbert MARTINEAU, Laurent TOUTAIN, Alain LEROY, Les télécoms mobiles - GSM-DCS, 2e édition revue et augmentée, Bruno SALGUES, Télécoms sur fibres optiques, 2e édition revue et augmentée, Pierre LECOY, 1997 Architecture des réseaux haut débit - cours, exercices, covrigés, Kim-Loan THAI, Véronique VÈQUE, Simon ZNATY, 1995.

6 Table des matières Avant-propos Chapitre 1. Introduction a GSM Systèmes radiomobiles et concepts cellulaires Stations mobiles et stations de base radio Interface radio Itinérance et handover Systèmes cellulaires et systèmes << sans cordon >> Déploiement cellulaire Le PLMN ou le réseau dédié aux mobiles Un réseau d accès au réseau téléphonique public Une signalisation importante La normalisation de GSM Historique de la norme Structure de I ETSI La norme GSM dans le monde Principales caractéristiques de GSM Une approche réseau Une interface radio élaborée S.3. GSM 900 et DCS S.4. Un système global Chapitre 2. Les services Définition d un PLMN Terminal dans le réseau GSM Classification des services Services supports Introduction Liste des services Interface d accès sur le terminal mobile Téléservices Téléphonie Messages courts Fax... 43

7 6 Réseaux GSM 2.6. Services supplémentaires Principales fonctions de sécurité dans GSM Commercialisation Les sociétés de commercialisation de services (SCS) Tarifs Chapitre 3. Architecture Présentation d'ensemble L'architecture canonique Architecture matérielle du sous-système radio Fonctions de la BTS Fonctions du BSC Architecture matérielle du sous-système fixe Fonctions du HLR Fonctions du MSC et du VLR Sous-système d'exploitation et de maintenance L'administration de réseau Architecture du TMN Fonctions de I'EIR Fonctions de 1'AUC Présentation de 1'OMC et du NMC Présentation des interfaces Architecture en couches du sous-système radio Architecture en couches du sous-système fixe La station mobile Chapitre 4. Réseau fixe et signalisation sémaphore Connaissances de base sur le RTC Réseau de distributiodréseau de transmission Déroulement simplifié d'un appel Réseau téléphonique international Signalisation et réseau sémaphore Eléments du réseau sémaphore Modes de fonctionnement Adressage au sein d'un réseau sémaphore Structure du réseau SS7 français Le SS7 pour les applications téléphoniques LeMTP MTP niveau MTPniveau MTP niveau Les sous-systèmes utilisateurs Services du SSUTR Messages du SSUTR Déroulement d'appel avec SSUTR Fin de communication avec SSUTR

8 Table des matières Comparaison ISUP/SSUTR Mise en œuvre de plusieurs centraux dans l'appel Le SS7 pour la signalisation non liée à l'établissement de circuit Le SCCP Fonction de traduction Classes de service Services orientés connexion Le TCAP Services offerts Sous-couche composant Sous-couche transaction Exemple de dialogue Utilisation de I'ASN Architecture fonctionnelle du NSS d'un PLMN Interconnexion PLMNRTCP Présentation générale du protocole MAP Synthèse Chapitre 5. Gestion de l'itinérance. de la sécurité et des appels Numérotation liée à la mobilité IMSI (International Mobile Subscriber Identity) TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) MSISDN (Mobile Station ISDN Number) MSRN (Mobile Station Roaming Number) Exemple de mise en œuvre des différentes identités dabonnédansgsm IMEI (International Mobile Equipment Identity) Authentification et chiffrement Confidentialité de l'identité de l'abonné Principes généraux d'authentification et de chiffrement Authentification de l'identité de l'abonné Confidentialité des données transmises sur la voie radio Etablissement de la clé Activation du chiffrement Gestion des données de sécurité au sein du réseau Gestion de la clé d'authentification Ki Procédure générale de gestion des données Transmission de la clé d'authentification Entités du réseau où sont enregistrées les données desécurité Autres mécanismes Gestion de l'itinérance Présentation générale Systèmes sans localisation Utilisation de zones de localisation

9 8 Réseaux GSM Gestion de l'itinérance dans GSM Identité d'une zone de localisation Gestion des bases de données (HLR, VLR) Principes de gestion de l'itinérance dans GSM Procédures pour la gestion de l'itinérance dans GSM Mise à jour de localisation internationale Conclusions sur l'itinérance Gestion des appels Principales entités intervenant dans le contrôle d'appel Appel sortant Description Utilisation du réseau commuté Fin de communication Raccroché du mobile Raccroché de l'abonné fixe Appel entrant Description Intérêt des liaisons sémaphores Utilisation du réseau commuté Cas particuliers en international Appel sortant international Appel entrant international Appel mobile-mobile Transmission de tonalités DTMF Gestion des services supplémentaires Principes généraux Double appel Renvoi d'appel Autres services supplémentaires Conclusion Chapitre 6. Ingénierie et concept cellulaire Schéma général d'une liaison radiomobile Présentation Sensibilité d'un récepteur Atténuations apportées par les câbles et les coupleurs Paramètres fondamentaux d'une antenne Antenne en émission Gain et diagramme de rayonnement Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente Cas du dipôle élémentaire Antennes des terminaux GSMDCS Antennes des stations de base GSM/DCS Antenne en réception Propagation en espace libre

10 Table des matières Modèles de propagation Modèle général à trois étages Modèles macrocellulaires Modèle de Hata Modèle COST 231-Hata Modèle de Walfish-Ikegami Modèle micro-cellulaire Propagation à l'intérieur des bâtiments Analyse des lois de propagation Prévision de couverture et équilibrage de liaison Rappel sur les relations entre champ électrique et puissance Détermination du seuil de couverture Equilibrage de la liaison Bilan de liaison Utilisation de la diversité Réutilisation des ressources Modèle hexagonal classique Motifs réguliers Systèmes limités par le bruit Systèmes limités par les interférences Etude du modèle classique Cas des systèmes TDMMDMA Utilisation d'antennes directives Prise en compte de l'effet de masque Prise en compte du bruit et des interférences Prise en compte des canaux adjacents Aspects pratiques de la planification cellulaire Paramètres influençant la capacité Saut de fréquence Protection contre les évanouissements sélectifs La diversité de brouilleurs Contrôle de puissance Transmission discontinue Conclusions Chapitre 7. Transmission sur l'interface radio Partage des ressources radio. accès multiple Partage en fréquence... : Partage en temps Implantation du saut de fréquence Comparaison des techniques de multiplexages Duplexage Séparation des bandes Canal physique duplex Numérotation des porteuses Compensation du temps de propagation aller-retour Différents sens du mot canal

11 10 Réseaux GSM 7.3. Chaîne de transmission Cas de la parole Transmission de la parole paquétisée Cas des services de données et de la signalisation Unités de données considérées dans la chaîne de transmission Codage de la parole Principes généraux Codage plein taux de la parole Autres codages Protection du signal de parole numérisée (plein taux) Contrôle d'erreurs Détection d'erreurs par CRC L'encodage convolutionnel Codes utilisés dans GSM Décodage correcteur d'erreurs par décodage de Viterbi Entrelacement Principe général Entrelacement pour la parole plein débit Entrelacement pour les données et pour la signalisation Format du burst Séquence d'apprentissage Drapeau de préemption (stealing flag) Chiffrement Modulation Rappels sur les modulations numériques La modulation GMSK Démodulation et égalisation Performances Les paramètres essentiels Dispersion du C/I Les paramètres rapportés Exigence de performance des récepteurs Conclusions Chapitre 8. L'interface radio : canaux logiques Structure de l'interface radio Une interface orientée circuit Interface radio et modèle en couches Les canaux de contrôle logiques Des canaux physiques aux canaux logiques Les structures temporelles de la multitrame à l'hypertrame Classification des canaux logiques Canaux dédiés Présentation et utilisation TCH et SDCCH SACCH FACCH

12 Table des matières Multiplexage TCH-SACCH Cas du canal de parole plein débit Cas du canal demi-débit Cas des canaux de données Implantation des canaux FACCH Multiplexage SDCCH-SACCH La voie balise Le concept de voie balise Canal FCCH Canal SCH Le rôle du SCH Structure du burst Place dans la trame Synchronisation fine Données transportées et codage Synchronisation logique Code de couleur BSIC Canal BCCH Les canaux de contrôle commun Canal RACH Canal AGCH Canal PCH Canal CBCH Configuration de multiplexage des CCCH Scrutation Scrutation dans la trame TDMA Scrutation dans les multitrames à 26 et à Canaux logiques : une synthèse Chapitre 9. Architecture de protocoles pour l'accès au réseau Accès numérique au réseau téléphonique : le RNIS Présentation générale Couche liaison de données Types de trames Format des trames Procédures de dialogue Multiplexage Couche réseau Format des messages de niveau Déroulement des procédures Présentation de la pile de protocoles de GSM Architecture en couches sur le mobile Couche liaison de données sur l'interface radio Format des trames Procédures de dialogue Multiplexage Profils d'utilisation du LAPDm

13 12 Réseaux GSM Couche 3 sur l'interface radio Structure générale des messages de niveau Couche RR Couche MM Couche CM Description de l'interface Abis Couche physique Couche liaison de données Couche réseau Description de l'interface A pour la signalisation Le protocole BSSMAP Le protocole DTAP Discrimation BSSMAP-DTAP Transcodage de la parole Synthèse Chapitre 10. Procédures de gestion de la ressource radio Etat de veille d'un mobile Processus de sélection de cellule Constitution d'une liste de voies balises Etude des voies balises candidates Sélection du PLMN Calage sur une cellule O Informations lues O Mesures effectuées Processus de resélection de cellule O Description des critères de sélectiordresélection Critère d'affaiblissement C Critère de resélection C Utilisation du critère C Perte de signalisation descendante Gestion physique du lien radio Contrôle de puissance Déroulement de la procédure Exemple d'algorithme de contrôle de puissance Mode de transmission discontinue (DTX) Gestion des canaux dédiés Allocation de canaux dédiés Allocation sur demande du mobile Réponse à un appel en diffusion Libération de canaux dédiés Libération normale Libération sur perte Activation du chiffrement Passage d'un canal de signalisation à un canal de trafic

14 Table des matières Lehandover Définitions Handover inter-cellulaire Handover intra-cellulaire Principales phases de déroulement d un handover Phase préliminaire d observation Ajustement des critères de déclenchement du handover Exécution du handover Principes généraux du handover inter-cellulaire Détail de la procédure au sein du BSS La procédure de handover intra-msc La procédure de handover inter-msc Fonctionnement des MSC ancre et relais Handover sur demande du MSC Conclusions Chapitre 11. Réalisation des services de données Transmission de données en mode circuit Eléments mis en œuvre Etablissement d un appel de données La transmission de données dans les réseaux fixes Rappel sur la jonction Problème général de l adaptation de débit Adaptation de débit en mode transparent Mode non transparent Cas d un service support asynchrone S.2. Cas d un service support synchrone Protocole RLP Evolution des services de données Service de messages courts Eléments mis en œuvre Architecture en couches Procédures de transmission Transmission sur l interface radio Synthèse Chapitre 12. La carte SIM Caractéristiques générales Formats Caractéristiques de sécurité Cycles de vie d une carte Distribution des cartes SIM Personnalisation des cartes SIM Post-personnalisation des cartes SIM Architecture interne Architecture générale des données d une carte à puce Architecture des données de la carte SIM Liste des informations stockées dans la carte SIM

15 14 Réseaux GSM Interfaces Interface électrique Protocole d échange Jeu de commandes Exemples de dialogues Carte SIM pro-active Principe général d échange des commandes pro-actives Transfert des messages courts vers la carte SIM Commandes pro-actives émises par la carte Conclusion Chapitre 13. Densification des réseaux GSM Augmentation de la capacité intrinsèque Motifs fractionnaires Saut de fréquence synthétisé Densification cellulaire Découpage des cellules Déploiement microcellulaire et réseaux multicouches Réseaux multibandes Antennes adaptatives Conclusion Chapitre 14. Fonctionnement de GPRS Introduction Présentation des services Types de service Qualité de service Techniques d augmentation des débits Architecture générale Entités et interfaces Principe général d acheminement des données Architecture en couches Gestion de l itinérance Etats d un mobile Identités temporaires Attachement au réseau Détachement GPRS Gestion de session Notion de contexte PDP Activation du contexte PDP par un mobile Activation du contexte PDP par le réseau Désactivation du contexte PDP Changement de zone de routage avec un contexte activé Echange de données utilisateurs Niveaux d encapsulation Couche SNDCP

16 Table des matières Couche LLC Transmission vers un abonné GPRS Transmission par un abonné GPRS Schéma général de transmission sur l interface radio Canal physique Codage des données Canaux logiques paquets Couches RLC et MAC Notion de flux de données Fonctionnement de l entité RLC Règles d accès pour un flux de données établi Etablissement d un flux de données montant Etablissement d un flux de données descendant Libération de canaux Gestion des paramètres physiques Terminaux multislots Conclusion Chapitre 15. Principes d EDGE Modifications de la couche physique Modulation Structure du burst Circuits à haut débit (ECSD) Mode paquet (EGPRS) Présentations des schémas de modulation et de codage Principes de l adaptation de lien Evolution de la couche RLC Protocoles hybrides EDGE Compact EDGE phase Synthèse Annexe 1. Tableau des identités GSM Annexe 2. Réseaux intelligents et CAMEL Annexe 3. Politiques d allocation de canal dédié Annexe 4. Exemple d algorithme de décision de handover Annexe 5. Liste des recommandations GSM Bibliographie Glossaire Index

17 Avant-propos Les systèmes de radiotéléphonie mobile GSM et leur variante DCS sont maintenant connus du grand public dans tout le continent européen. Ils forment une référence au niveau mondial tant sur le plan des concepts que du vocabulaire. Il existe à ce jour peu d ouvrages français présentant les techniques du système GSM. Réseaux GSM-DCS, des principes Ù la norme cherche à combler cette lacune. Il découle de l expérience acquise lors de cours et de sessions de formation continue faits à Paris depuis 1991 à 1 ENST et à Sup Com de Tunis. Il présente les bases nécessaires, précise le langage et les concepts, et les illustre par de nombreux exemples et figures. Les principales caractéristiques de GSM sont exposées et souvent mises en perspective avec les autres systèmes existants. L approche pédagogique qui a guidé l écriture de ce livre est triple. - La première est de présenter certaines notions de base concernant les réseaux téléphoniques, utilisées dans les systèmes radiomobiles modernes. En particulier : notion de service, signalisation sémaphore, accès RNIS. - La deuxième est d illustrer le domaine des communications numériques qui depuis Shannon s est développé notamment dans le contexte satellite. L interface radio de GSM est un cas intéressant d utilisation de techniques de transmission avancées puisqu elle intègre un grand nombre de fonctions : codage de la parole, modulation, égalisation, codage protecteur, décodage de Viterbi, synchronisation, contrôle de puissance, etc. - La troisième est de donner des notions élémentaires sur l ingénierie radio, les bases de la propagation, les principales caractéristiques des antennes, et les différences entre GSM à 900 MHz et DCS à 1800 MHz. La planification cellulaire est en effet un domaine stratégique car elle conditionne fortement la qualité d un réseau.

18 18 Réseaux GSM La cinquième édition traite de GPRS et d EDGE. Prévu pour l année 2000, GPRS permet d accéder aux services internet à des débits de plusieurs dizaines de kbitls. Grâce à l utilisation d une modulation de plus grande efficacité spectrale, EDGE permettra d augmenter les débits à quelques centaines de kbith. Le système EDGE a été reconnu par l Union internationale des télécommunications comme système IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) et peut donc être considéré comme système de troisième génération. Ce livre s adresse aux étudiants de maîtrise ou d école d ingénieurs aussi bien qu aux professionnels désirant avoir une vue globale du système. Il contient des éléments de cours de dernière année d école d ingénieur et suppose quelques connaissances préalables dans les domaines des communications et des réseaux téléinformatiques (transmissions numériques, principe de l architecture en couches, protocoles de liaisons de données) qui sont maintenant acquises dans de nombreux cursus. La norme GSM représente un ensemble de documents de plus de 10 O00 pages. Comme toute norme, sa prétention est de spécifier d une manière non ambiguë un système plutôt que d offrir un exposé pédagogique. Son abord est souvent ardu et la description de certaines fonctionnalités est disséminée sur plusieurs spécifications. Les différents chapitres ne suivent pas le découpage de la norme et constituent, autant que possible, des exposés autonomes. Ils ne sont certes pas indépendants et certaines redondances ont été tolérées pour faciliter la lecture et éviter les allers et retours entre chapitres. Le plan d ensemble de cet ouvrage est présenté à la fin du chapitre 1. Nous tenons à remercier tous ceux qui, lors de discussions courtes ou conséquentes et souvent passionnées, nous ont permis d augmenter nos connaissances sur les systèmes radiomobiles ou téléphoniques : Wessam Ajib, Olivier Beaujard, Philippe Bertin, Jérôme Brouet, Philippe Chailley, Alain Charbonnier, Toufic Chébaro, Gérard Cohen, Jean-Louis Dornstetter, Maurice Gagnaire, S téphane Guérin, Bij an Jabbari, Andris Kienitz, Vinod Kumar, Edouard Issenmann, Armand Lévy, Michaël Liem, Philippe Martins, Nicolas Moreau, Christophe Mourot, Jean-Gabriel Rémy, François de Ryck, Rémi Thomas, Sonia Tabbane, Laurent Tourmouche, Alistair Urie et Didier Verhulst. Nous remercions tout spécialement Michel Mouly et Marie-Bernadette Pautet, auteurs d un excellent ouvrage en anglais qui fait référence. Lors de leurs interventions à 1 ENST, ils ont su communiquer leur connaissance approfondie du système et l enthousiasme qui a présidé à sa définition. Comme nous l annoncions en 1995 lors de la première édition de cet ouvrage, posséder un terminal GSM ou DCS est aussi banal en 2000 qu avoir un magnétoscope. L utilisation des réseaux va encore s accroître dans les années à venir. Nous espérons que ce livre sera une aide et un compagnon utile pour tous ceux qui sont impliqués dans le développement du réseau ou d applications qui l utilisent. Philippe GODLEWSKI, Xavier LAGRANGE, Sami TABBANE

19 1 1 t Les systèmes de radiotéléphonie mobile GSM sont maintenant une référence au niveau mondial. Or, la norme GSM représente un ensemble de documents de plus de 10 O00 pages d un abord souvent ardu. Réseaux GSM, des principes h la norme présente les bases, le langage et les concepts nécessaires à leur compréhension. Les principales caractéristiques de GSM sont exposées et illustrées par de nombreux exemples et figures. L approche de cet ouvrage est triple. 11 présente les notions introductives des réseaux téléphoniques utilisées dans les systèmes radiomobiles modernes, en particulier la signalisation sémaphore. 11 illustre le domaine des communications numériques dont GSM est un cas d application : codage de la parole, modulation, égalisation, codage protecteur, décodage de Viterbi. Enfin, il donne les éléments de base de l ingénierie radio, domaine stratégique qui conditionne fortenient la qualité de service d un réseau et il expose les différences entre les systèmes GSM à 900 MHz et à 1800 MHz. Cette cinquième édition contient un chapitre sur GPRS et un autre sur EDGE, services de transmission de doniiées appelés à un fort développement car ils permettront, à partir de terminaux portables, d accéder aux services de l internet. Ce livre est une aide pour tous ceux qui développent le réseau GSM ou qui l utilisent et, plus largement, pour ceux qui d6sirerit se familiariser avec les réseaux de radiotéléphonie mobile. Les auteurs Xavier Lagrange, ingénieur de 1 Ecole Centrale de Paris et docteur de 1 Ecole Nationale Supérieure des Téléc.oniniuiiic.ations (ENST), est maître de conférences au département Réseaux et Services Multimédias de 1 ENST Bretagne. Il est responsable du mastère Rkseaux et Services Mobiles. Philippe Godlewski, ingénieur ENST et docteur de l université Paris VI, est responsable du groupe de recherche sur les i.adioconiniunications du département Informatique et Réseaux et du mastsre radio-mobile de I ENST. Sami Tabbane, ingénieur de I Ecole des Mines de Paris et docteur de l ENST, est directeur des études à 1 Ecole Supérieure des Communications de Tunis.!