Présentation structure de trames GSM. GSM : aspects logiques

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1 Présentation structure de trames GSM GSM : aspects logiques

2 SOMMAIRE INTRODUCTION TECHNIQUES D ACCÈS MULTIPLES DESCRIPTION DES BURSTS DESCRIPTION DES CANAUX LOGIQUES EXERCICES

3 INTRODUCTION : RESEAU ET TRAMES Réseau GSM : ensemble de sites tri-sectorisés (3 cellules) 1 cellule : un identifiant unique sur le réseau de l opérateur qui comporte un certain nombre de TRX fonction de la capacité à écouler. Qu est-ce-qu un TRX? Une communication sur le lien radio? Sens montant/sens descendant?

4 TECHNIQUES D ACCES MULTIPLES Partage en fréquence (FDMA) La bande allouée pour chaque système est séparée en 2 sous bandes d'égales importances : GSM MHz MHz Ecart Duplex=45 MHz DCS MHz MHz Ecart Duplex=95 MHz Chaque bande est divisée en canaux fréquentiels de largeur 200 khz. Ces fréquences sont allouées de façon fixe aux différentes BTS et s appellent FU, porteuses ou ARFC (Absolute Radio Frequency Channel) ; il faut veiller à ce que 2 BTS voisines n'utilisent pas des porteuses proches. Rapport entre porteuse et TRX?

5 TECHNIQUES D ACCES MULTIPLES Partage en fréquence ( FDMA) Chaque porteuse est identifiée par son ARFCN codé sur 10 bits où la fréquence de la voie descendante est f (en MHz) : 0 n 124 f = n (GSM) (124 porteuses) 512 n 885 f = (n-512) (DSC) (374 porteuses) Rapport entre porteuse et TRX?

6 TECHNIQUES D ACCES MULTIPLES Partage en temps ( TDMA) Chaque porteuse est divisée en intervalles de temps (IT) ou timeslots (TS). La durée d'un slot en GSM est fixée à Tslot = (75/130) ms soit environ ms. Le slot accueille un élément de signal radioélectrique : le burst. Le TDMA permet à différents utilisateurs de partager la même fréquence. Par porteuse, les timeslots sont regroupés par 8 (multiplexage de 8 canaux physiques) : Ttdma (durée de la trame TDMA) = 8 Tslot = ms À chaque utilisateur en communication est alloué un slot par trame TDMA. Principe du Half Rate? Que peut-on dire du GSM?

7 TECHNIQUES D ACCES MULTIPLES Partage en temps ( TDMA) Les slots sont numérotés de 0 à 7. Un «canal physique» <=> (numéro de slot, numéro de porteuse) Porteuse 1 TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7... Les trames générées par une BTS dans le sens descendant sont synchronisées et les trames du sens montant ont un retard de 3 slots. Cela permet aux mobiles d'émettre et de recevoir sur le même slot distinctement. Principe du Half Rate? Que peut-on dire du GSM?

8 TECHNIQUES D ACCES MULTIPLES Fondamentaux Parmi toutes les fréquences porteuses composant une cellule, il existe une seule fréquence balise (voix descendante) qui sert notamment à diffuser un ensemble d informations relatives à cette cellule. Tous les mobiles raccrochés à cette cellule reçoivent cette information. Le timeslot 0 de la fréquence balise est réservé à la diffusion (BCCH). Certains timeslots peuvent être réservés à la signalisation (SDC), mais sont surtout alloués aux utilisateurs (TCH). Principe du saut de fréquence? Quel est le décalage duplex?

9 TECHNIQUES D ACCES MULTIPLES Exemple de cellule à 4 porteuse canal physique plein-débit ou EFR slot canal physique demi-débit TRX 3 TRX 2 TRX khz TRX temps Trame TDMA Principe du saut de fréquence? Quel est le décalage duplex?

10 NUMERISATION DE LA PAROLE Numérisation de la parole La numérisation d un signal analogique comporte 3 phases : l échantillonnage, la quantification et le codage. L'échantillonnage consiste à prélever des échantillons du signal à intervalles de temps réguliers. La quantification fait correspondre une valeur à l'amplitude d'un échantillon par rapport à des valeurs étalons appelées niveaux de quantification. Le codage consiste à transmettre un flux d'informations binaires correspondant à l'échantillon représenté par un octet.

11 NUMERISATION DE LA PAROLE Numérisation de la parole Niveau du 1 Echantillonnage signal Signal analogique temps 2 Quantification Valeur binaire 3 Codage Signal numérique

12 CHAÎNE DE TRANSMISSION Chaîne de transmission du signal de parole Signal de parole Signal de parole Codec (codage de source : numérisation du signal) Codec (reconstitution du signal analogique) Codeur canal (protection contre les erreurs) Décodeur canal (correction et détection des erreurs) Entrelacement Multiplexage & construction de burst Chiffrement Modulation Désentrelacement Démultiplexage Extraction des champs d'information des bursts Déchiffrement Démodulation et égalisation

13 NUMERISATION ET TRAME TDMA Traitement d une trame de parole de 20 ms trame de parole analogique (20 ms) codec de parole parole non protégée 260 bits 13 kbits/s (260 bits / 20 ms) codage de canal parole protégée 456 bits 22,8 kbits/s (456 bits / 20 ms) entrelacement demi-bursts (8 x 114/2 bits) slot trame TDMA (~5 ms) trame de parole (= 20 ms) 8 trames TDMA (~40 ms) ~durée de transmission d'une trame de parole

14 NUMERISATION ET TRAME TDMA Traitement d une trame de parole de 20 ms La voix est vue comme un signal analogique téléphonique ordinaire limité à la bande [300 Hz Hz] découpé en intervalles jointifs de 20 ms. Chaque intervalle est numérisé, comprimé par le codec de parole, protégé par le codage de canal pour aboutir à une trame codée appelée bloc, de 456 bits. Le codage canal rajoute un bit de parité et de la redondance. Le codage s effectue ici paquet par paquet. La paquétisation introduit un délai de 20 ms.

15 NUMERISATION ET TRAME TDMA Traitement d une trame de parole de 20 ms On cherche à étaler au maximum la transmission d un paquet de parole dans le temps. La transmission s effectue dans 8 trames TDMA. Chaque demi-burst du paquet de parole i est combiné avec un demi-burst de la trame de parole i - 1 (correspondant aux 20 ms suivantes). Les bursts émis dans les slots sont donc bien complets.

16 STRUCTURE DU BURST NORMAL Chaque slot sert au transport d'un canal logique. Le burst est le contenu physique du slot. L'information à transmettre est découpée en bursts. On retrouve donc différents types de bursts en fonction des différents types de canaux logiques. Le burst normal est composé de : - 2 x 57 bits d information - 2 x 1 bits de préemption qui permettent de distinguer la parole de la signalisation. En positionnant les drapeaux à 1, on vole sur une trame l'information utilisateur pour transmettre de la signalisation, par exemple dans le cas d un handover. La gestion du TA est fondamentale.

17 STRUCTURE DU BURST NORMAL Le burst normal est composé de : - 26 bits pour le midambule. Cette séquence est fixée parmi une des 8 spécifiées par la norme GSM. Elle permet de synchroniser chaque burst. Grâce au code des couleurs BSIC (sur 6 bits) qu'elle contient, elle permet aux BTS de filtrer les bursts émis par un mobile hors de la cellule mais accordé à la même fréquence. La gestion du TA est fondamentale.

18 STRUCTURE DU BURST NORMAL Trame TDMA 4,615 ms Bits de données chiffrés et encodés Séquence Bits de données chiffrés 1 1 Garde d'apprentissage et encodés 3 bits 57 bits 1 bit 26 bits 1 bit 57 bits 3 bits 8,25 bits Burst 148 bits : 0,546 ms Timeslot 156,25 bits : 0,577 ms La gestion du TA est fondamentale.

19 ORGANISATION DES TRAMES En veille ou en communication, un mobile travaille toujours avec plusieurs canaux logiques. Utiliser un canal physique pour chacune de ces tâches, ce serait gâcher de la ressource radio puisque les différents canaux ne nécessitent pas un débit comparable à celui de la parole codée. Sur son canal physique, le mobile va donc trouver un multiplex de canaux logiques correspondant à son activité. FN = Frame Number

20 ORGANISATION DES TRAMES La norme GSM impose l'organisation du transport des slots sous forme d'une structure à 4 niveaux hiérarchiques de trames : La trame TDMA : 8 slots, T tdma = 4,615 ms La multitrame : de 2 types possibles suivant le type de canaux à transporter Multitrame à 26 : 26 trames TDMA, Durée = 120 ms (canaux de trafic et de contrôle) et Multitrame à 51 : 51 trames TDMA, Durée = 235,365 ms (pour les contrôles). FN = Frame Number

21 ORGANISATION DES TRAMES La norme GSM impose l'organisation du transport des slots sous forme d'une structure à 4 niveaux hiérarchiques de trames : La supertrame : 1326 trames TDMA; T SUPERTRAME = 6,12 s Dans chaque trame TDMA, on peut trouver des slots qui évoluent en multitrame à 26 et d'autres en multitrames à 51. La structure de supertrame permet d'homogénéiser l'organisation entre tous les slots d'une même trame TDMA. La supertrame se compose de 26 multitrames à 51 ou de 51 multitrames à 26. L'hypertrame: 2048 supertrames; TDurée = 3h 28min 53s 760ms La structure de l hypertrame dure 2048*26*51= trames TDMA. Chaque trame TDMA est repérée par un compteur FN dans l'hypertrame. Le compteur FN donne en quelque sorte la base de temps propre de la BTS. FN = Frame Number

22 STRUCTURE DES TRAMES La BTS transmet régulièrement au mobile le compteur FN lui permettant de se repérer dans l hypertrame. trame TDMA Multitrame Une structure de multitrame est définie pour un slot en particulier dans la trame TDMA (ici le slot 2) Multitrame à ms Multitrame à ms supertrame 6,12s hypertrame 3h 28 min 53s 760 ms

23 CANAUX LOGIQUES 2 grandes classes de canaux logiques : les canaux dédiés les canaux communs. Un canal logique dédié fournit une ressource réservée à un seul mobile. On lui attribue une paire de slots (montant et descendant) où il est le seul à recevoir et à émettre dans la structure de multitrame. Les canaux dédiés sont duplex.

24 CANAUX LOGIQUES 2 grandes classes de canaux logiques : les canaux dédiés les canaux communs. Un canal logique commun est simplex (attribué sur une voie seulement suivant les cas) et partagé par un ensemble de mobiles. Dans le sens descendant, les informations sont diffusées et plusieurs mobiles sont à l'écoute. Ces données peuvent concerner le système dans son ensemble ou un mobile en particulier qui, par exemple, peut recevoir un appel entrant. Dans le sens montant, la fonction d'accès multiple est remplie. Chacun peut émettre et les collisions sont résolues par les méthodes classiques de résolution de contention (Aloha slotté).

25 CANAUX LOGIQUES Couche 3 : Gestion Call Management (CM) Call Control (CC) Supplementary Service (SS) Short Message Service (SMS) Mobile Mgt (MM) Authentification Mise à jour de localisation IMSI attach/detach Identification Radio Ressource (RR) Paging, Activation chiffrement Allocation canaux dédiés Handover, Report de mesures Couche 2 : Liaison de données Mécanisme de retransmission TCH SACCH FACCH SDCCH CCCH RACH PCH AGCH BCCH SCH FCCH Contrôle de lien radio Protection et détection d erreurs Canaux physiques et logiques Couche 1 : Couche physique Construction des bursts

26 CANAUX DEDIES TCH (Traffic CHannel) Les canaux de trafic TCH transportent les données utilisateurs. Le TCH permet de transmettre la parole à : 13 kbps en Full Rate, 12 kbps en EFR et 5.6 kbps en HR et des données jusqu à 12 kbps mais en grande partie à 9 kbps.

27 CANAUX DEDIES SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channel) Des canaux de signalisation SDCCH transportent les données utilisateurs (SMS) et provenant des couches hautes du système : HO, MOC, MTC, location update. Le débit du canal SDCCH est plus faible, de l'ordre de 800 bps soit 1/12ème de la capacité d'un TCH. Sur un canal physique, on peut placer soit un TCH et son SACCH associé, soit 8 canaux SDCCH (SDC) et leurs SACCH associés.

28 CANAUX DEDIES SACCH (Slow Associated Control Channel) Les canaux TCH et SDCCH possèdent chacun un canal associé à faible débit SACCH. Il faut 4 TS soit 480 ms pour avoir une mesure SACCH (456 bits) valable. Il supporte : - compensation du délai de propagation aller-retour par le mécanisme de TA (timing advance) - contrôle de la puissance d'émission du mobile (pas de 2 db) - contrôle de qualité du lien radio - rapatriement des mesures effectuées sur les cellules voisines - SMS (texto)

29 CANAUX DEDIES FACCH (Fast Associated Control CHannel) Son intérêt vient du fait que le SACCH est trop lent et induit un retard de l ordre de la demi-seconde impropre à traiter les actions rapides comme l exécution d un handover. Si le canal alloué est un TCH, on suspend dans ce cas d urgence les informations usagers et on vole la capacité ainsi libérée afin d écouler de la signalisation. Si le canal dédié est un SDCCH, la FACCH est inutile

30 Cas du multiplexage TCH-SACCH CANAUX DEDIES On a vu que une trame de parole de 20 ms est codée sur 260 bits et est écoulée sur 4 bursts. Il faut donc transmettre 1 burst toutes les 5 ms. Or, la trame TDMA est plus courte : elle dure 5x24/26 = ms. Pendant une multitrame à 26 (120 ms), 24 bursts sont émis. Il reste 2 slots libres : 1 utilisé par la SACCH et 1 Idle. Le mode Idle permet au mobile de scruter les voies balises des cellules voisines afin d effectuer des mesures.

31 Cas du multiplexage TCH-SACCH Multiplexage plein débit (FR) 26 trames TDMA : 120 ms CANAUX DEDIES 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 Multiplexage demi-débit (HR) 26 trames TDMA : 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 a T : TCH A : SACCH i : idle

32 FCCH (Frequency Correction CHannel) CANAUX COMMUNS Burst de 148 bits à 0 émis toutes les 50 ms : il correspond à fréquence légèrement décalée en fréquence. Il permet une synchronisation fine du mobile. Il est présent seulement sur le TS0 de la fréquence balise et est émis 5 fois sur une multitrame à 51.

33 SCH (Synchronisation CHannel) Supporte le burst de synchronisation et BSIC. CANAUX COMMUNS Fournit une synchronisation complète au mobile : la synchronisation fine : aide à la détermination du TA la synchronisation logique : détermination du FN (idem pour BTS et mobile).

34 BCCH (Broadcast Control CHannel) CANAUX COMMUNS Le BCCH (obligatoirement TS0 de la trame TDMA) contient les informations d'accès à la cellule : Paramètres de sélection et re-sélection de cellule LAI (Location Area Identity) les paramètres RACH (accès aléatoire) la description des canaux logiques de la cellule la liste des fréquences balises des cellules voisines l'organisation du canal CBCH : 1 CBC = mode combiné laisse 7 TCH sur fréquence balise et 1 BCC (nécessitant obligatoirement 1 SDC) ne laisse que 6 TCH. utilisation ou non d'un certain nombre de fonctionnalités : DTX, contrôle de puissance...

35 CANAUX DE CONTROLES COMMUNS PCH (Paging CHannel) Utile lorsque le réseau désire communiquer avec un mobile (appel, SMS, authentification ) L identité, du mobile est diffusée sur un ensemble de cellules appartenant à la même LA via le PCH. Possibilité d'appeler jusqu à 4 mobiles dans le même message en utilisant le TMSI au lieu de l'imsi.

36 CANAUX DE CONTROLES COMMUNS RACH (Random Access CHannel) Pour chaque action (localisation, SMS, appels ), le mobile doit se signaler au réseau. Pour cela, il envoie une requête très courte sur un seul burst vers la BTS. La requête est envoyée sur des slots particuliers en accès type Aloha slotté.

37 CANAUX DE CONTROLES COMMUNS AGCH (Access Grant CHannel) En réponse à un RACH, l'agch vise à attribuer un canal dédié. Le message d allocation contient : - la porteuse - le numéro de slot et/ou description de la loi de saut si le saut de fréquences est implémenté - paramètre TA

38 CANAUX DE CONTROLES COMMUNS CBCH (Cell Broadcast Control CHannel) Sert à la diffusion d informations routières et météo. Aujourd hui, inutilisé.

39 CANAUX LOGIQUES : RESUME Broadcast CHannel Frequency Correction CHannel (FCCH) Calage sur fréquence porteuse (BCH) Synchonisation CHannel Synchronisation + unidirectionnel (SCH) Identification en diffusion (voie balise) Broadcast Control CHannel (BCH) Information système Common Control Channel (CCCH) accès partagé Dedicated Control Channel Traffic Channel (TCH) Paging CHannel (PCH) Random Access CHannel (RACH) Access Grant CHannel (AGCH) Cell Broadcast CHannel (CBCH) Stand-alone Dedicated Control CHannel (SDCCH) Slow Associated Control CHannel (SACCH) Fast Associated Control CHannel (FACCH) Traffic CHannel for coded speech (TCH) Traffic Channel for data (user rate) 9,6 kbps, 4,8 kbps, < 2,4 kbps Appel du mobile Accès aléatoire du mobile Allocation de ressources Messages courts diffusés Signalisation Supervision de la liaison Exécution du handover Voix plein/demi-débit Données utilisateurs

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41 Réalisation de la multitrame TCH+SACCH EXERCICE 1 Soit un système de radiotéléphone H : - codage de la parole par blocs de 30 ms - Un bloc de 30 ms = 860 bits codage source + canal) - Un burst transporte : 85 bits d information, 2 bits de flag et 32 bits de midambules soit 120 bits par burst - Une trame comprend 8 TS. Ne pas oublier que nous raisonnons sur un canal physique, soit 1 TS parmi 8. - le SACCH transmet 480 bits (info + midambule) toutes les 360 ms. Les infos SACCH sont transmises à raison d'un burst par multitrame

42 EXERCICE 1 Questions 1. Quelle est la durée de la multitrame? 2. Combien de blocs de paroles sont transmis par multitrame? 3. Combien de trames TCH sont nécessaires par multitrame? 4. Quelle est la durée d un TS? 5. Quelle est la structure de la multitrame (nombre et position des TS : TCH, SACCH, IDLE; en prenant le GSM comme exemple)? 6. Débit d un TCH?

43 EXERCICE 2 Multitrame de signalisation (canal de diffusion) On a besoin sur le sens descendant du canal de diffusion de : 1 TS FCCH pour asservir les mobiles en fréquences et donner la position du burst 1 TS SCH pour donner la synchro des mobiles 4 TS BCCH pour diffuser des infos aux mobiles 4 TS CCCH (AGCH : pour attribuer des canaux dédiés aux mobiles + PCH : pour pager les mobiles) On veut qu un mobile en communication puisse écouter les canaux de diffusion pendant sa trame IDLE.

44 EXERCICE 2 Questions 1. Combien de trames peuvent constituer la multitrame de signalisation? 2. Choisir la réponse comprise entre 40 et Donner la structure de la multitrame de signalisation (il peut exister des TS non utilisés). Prendre comme exemple le GSM. 4. Quelle est la durée de la multitrame de signalisation?

45 EXERCICE 3 Canaux de signalisation dédiés SDCCH + SACCH La multitrame a la même durée que le canal de diffusion. Les canaux logiques sont transmis de la manière suivante : - 2/3 SDCCH (TCH/8) : 4 TS sur 4 trames successives par mobile toutes les multitrames - 1/3 SACCH : (débit identique pour TCH + SACCH) soit : 480 bits à transporter dans 4 trames successives toutes les 360 ms environ.

46 EXERCICE 3 Questions 1. En supposant que le débit du SACCH est moitié du SDCCH, quel est le nombre de canaux SDCCH supportés par un canal physique? 2. Quelle est la structure de la multitrame de signalisation dédiée en vous aidant du GSM?

47 ARFCN : Absolute Radio Frequency Channel Number GLOSSAIRE