Architectures des réseaux mobiles. André-Luc BEYLOT ENSEEIHT Département Télécommunications et Réseaux

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1 Architectures des réseaux mobiles André-Luc BEYLOT ENSEEIHT Département Télécommunications et Réseaux

2 PLAN GENERAL Introduction Architecture Protocolaire du GSM GPRS UMTS 2

3 Introduction Réseaux de mobiles : Un monde très orienté «Télécoms» Téléphonie : suprématie du GSM (Global System for Mobile communications) Intégration voix/données nécessaire : GPRS (General Packet Radio System) Débit supérieur, multimédia : UMTS (Universal Mobile Telecom. System) Réseaux Privés sans fil : 1 évolution pour les réseaux locaux Réseaux personnels : Bluetooth Réseaux locaux sans fil : IEEE Diffusion Boucle locale radio DVB, satellites Internet IP-mobile, IP cellulaire et MANET (Mobile Ad-hoc NETworks) 3

4 Réseaux de Mobiles et Réseaux sans fil Réseaux de mobiles Un utilisateur mobile = capable de communiquer à l extérieur de son réseau d origine en conservant son adresse Pbs de compatibilité de signalisation Exemples : GSM : Mobilité autorisée au sein de réseaux utilisant le GSM Utilisation de la HLR et de la VLR IP-mobile Réseaux sans fil : lié au support de transmission Système de communications sans prise murale Utilisation du support hertzien Exemples : téléphone sans cordon de résidence 4

5 Réseaux cellulaires Atténuation du signal => concept cellulaire Augmentation du nombre d utilisateurs Cellules de plus en plus petites Micro-cellules et antennes petites faible puissance d émission Zone de Zone de Localisation Localisation Zone de Localisation Sous-Réseau 5

6 Caractéristiques des réseaux de mobiles Méthodes d accès au support : FDMA, TDMA, CDMA L allocation des ressources : FCA, DCA, HCA La sécurité : authentification, cryptage des données Le transfert intercellulaire : Handover ou Handoff Le paging Le contrôle de puissance Le dimensionnement probabilité de blocage probabilité de coupure 6

7 Fonctions du Réseau Cellulaire Gestion de la mobilité (Mobility Management) HLR (Home Location Register) : 1 par réseau d abonnement VLR (Visitor Location Register) : 1 par zone d enregistrement Compromis : Enregistrement/Paging Gestion des Appels (Call Management) Mise en place, fermeture des connexions C est de la signalisation : typiquement SS7 Gestion des Ressources Radio (Radio Resource Management) Choix de la fréquence porteuse la plus forte Contrôle de puissance 7

8 Schémas d architectures des réseaux de mobiles Terminal Mobile Antenne Terrestre Commutateur Commutateur Carte à puce Interface UIM-MT Interface MT-RAN Interface RAN-CN Interface CN-CN User Identity Module (UIM) Mobile Terminal (MT) Radio Access Network (RAN) Core Network (CN) Core Network (CN) 8

9 Architecture Simplifiée du GSM VLR VLR HLR D Signalisation PS PS PS G B C PS PS A bis A RTC Interface air Mobile Station Base Station System Base Station Controller Mobile-service Switching Center Local Exchange (commutateur de raccordement) 9

10 PRINCIPAUX PROTOCOLES DU GSM CM MM RR BSSAP SCCP LAPDm physique LAPD physique MTP3 MTP2 MTP MT BTS BSC MSC BSSAP : Base Station Subsytem Application Part SCCP : Signalling Connection Control Part MTP : Message Transfer Part (protocoles du SS7) 10

11 Interface Air - Couche 1 Différents canaux logiques Broadcast Channel (BCH) unidirectionnel en diffusion Common Control Channel (CCCH) accès partagé Dedicated Control Channel (DCCH) Traffic Channel (TCH) Frequency Correction Channel (FCCH) Synchronization Channel (SCH) Broadcast Control Channel (BCCH) 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/FS) (TCH/HS) Traffic Channel for data Calage Fréquence Porteuse Synchro + Identification Information Système 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 utilisateur 11

12 Interface Air - Couche 1 Hypertrame = 2048 supertrames 3 h 25 m s Supertrame = 51 multi-trames de trafic = 26 multi-trames de contrôle 6.12 s Multi-trame de Trafic = 26 Trames 120 ms Multitrame de contrôle = 51 trames ms Trame = 8 slots ms Slot = bits 577µs Bit = 3.69 µs 12

13 Interface Air - Couche 2 Canaux de trafic : rien Canaux de signalisation : DCCH : LAPDm BCH - BCCH (contrôle de la qualité et synchronisation) : rien CCCH + BCCH : transparent (message de niveau 3 mis dans des trames sans en-tête ni acquittement LAPDm : version mobile du LAPD utilisé dans le RNIS-BE Pas de fanion Longueur fixe : 23 octets sur SDCCH et FACCH, 21 sur SACCH Adresse Commande Longueur Information Bourrage 13

14 LAPDm SAPI = 3 bits En fait seuls 0 et 3 sont utilisés : 0 sig, 3 SMS Champ de commande cf. LAPB : SABM, pas de SREJ Champ de longueur (bit M: fragmentation) Procédures de dialogue Mode sans connexion : trames UI sans acquittement Mode avec connexion : SABM/UA ; fenêtre de taille 1 Multiplexage : SAPI (attention canaux dédiés) Pour SMS : SAPI 3, messages confirmés (mode connecté) usager en communication : SACCH associé, sinon SDCCH SDCCH et FACCH utilisé pour des messages de sig => cnx SACCH (SAPI 0) : utilisé pour des mesures => pas de cnx 14

15 Couche 3 sur l interface radio Comporte 3 sous-couches : RR, MM et CM CM redivisée en CC (Call Control), SS(Supplementary Services), SMS (Short Messages) Pas de processus d encapsulation entre les couches Format de messages commun pour les sous-couches Identificateur de transaction Identificateur de transaction type de message Champs obligatoires de longueur fixe Champs obligatoires de longueur variable Champs optionnels Identificateur de transaction : éventuellement plusieurs communications avec mise en attente Discriminateur de protocole : Sous-couche à laquelle il se 15 rapporte

16 Couche 3 sur l interface radio Couche RR : Gère la connexion radio Etablissement d un canal dédié + rétablissement en cas de handover Etablie entre MS et BSC Couche MM : Gestion de la mobilité (échange MS et réseau - localisation) Sécurité Connexions MM : pas de message spécifique. Considérée comme établie lors de l envoi de messages de CM, SMS Couche CM : Assez proche des fonctionnalités offertes dans les réseaux fixes (CC, SS) 16 Seuls les SMS sont spécifiques

17 Interface Abis (BTS-BSC) TCH Canaux de trafic ~ Canaux B du RNIS SDCCH SACCH BCCH Canaux de sig ~ Canaux D du RNIS Débit = 16 ou 64 Kbit/s Au niveau 2 (canaux D) : protocole LAP-D Messages de sig des niveaux supérieurs Messages de supervision et de maintenance de la BTS Messages internes de gestion de la liaison de données BTS-BSC Différents SAPI dans l adresse des trames 1 TRX (Transmitter/Receiver Module) gère une fréquence adresses TEI différentes pour les TRX ; numéro de slot - message de niveau 3 17

18 Interface Abis - niveau 3 CM MM Couches Supérieures RR RR Message transparent distribution BTSM Message transparent distribution BTSM LAPDm LAPDm LAPD LAPD PHY PHY PHY PHY Interface radio Interface Abis Messages transparents : BSC <-> MS discriminateur, type de message, numéro de slot, canal logique, SAPI (0 ou 3) + message Messages non transparents : Gestion de la BTS 18

19 Interface A Interface BSC - MSC Repose sur le SS7 : 3 couches basses SSCS (sous-système de commande des connexions sémaphores) ou SSCP (Signalling Connection Control Part) BSSAP : Base Station Subsystem Application Part BSSMAP (BSS Management Part) Message de gestion d un BSC ex: ressources disponibles? (SSCP sans connexion - classe 0) Messages liés à un canal dédié - handover, allocation, libération (SSCP avec connexion - classe 2) DTAP : messages de sig transitant par le BSC (transparent) utilise SSCP avec connexion Discrimination : en-tête des messages BSSAP (distribution) 19

20 Interface A CM CM MM MM BSSAP BSSAP RR RR + BTSM DTAP BSSMAP distribution SSCP DTAP BSSMAP distribution SSCP LAPDm LAPD MTP3 MTP2 MTP3 MTP2 PHY PHY MTP1 MTP1 Interface radio Interface Abis Interface A 20

21 Exemple : Allocation canal signalisation... MT BTS-A RR - Channel Request BTSM - Channel Required RACH BTSM - Channel Activation BSC MSC BTSM - Channel Activation ACK BTSM - Immediate Assignment Command RR - Immediate Assignment AGCH SABM[MM CM_SERVICE REQUEST] SDCCH BTSM - Establish Indication [MM CM_SERVICE REQUEST] SCCP CONNECTION REQUEST - [BSSMAP COMPLETE Layer3INFO [MM CM_SERVICE REQUEST]] UA[MM CM_SERVICE REQUEST] SDCCH SCCP CONNECTION CONFIRM 21

22 Exemple : Signalisation «paging»... MT BTS-A RR - Paging Command BSC RR - Paging Command BTS-B RR - Paging Request RR - Paging Req PCH PCH RR - Channel Request RACH BTSM - Channel Required BTSM - Channel Activation BTSM - Channel Activation ACK RR - Immediate Assignement AGCH SABM[RR Paging Response] SDCCH UA[RR Paging Response] SDCCH BTSM - Immediate Assignment Command BTSM - Establish Indication [RR Paging Response] 22

23 Exemple : Appel Sortant... MT BTS-A Etablissement du canal dédié MSC/VLR CA MM CM_Service Request COMPLETE Layer3INFO [MM CM_Service Request] MM Authentication Request MM Authentication Response RR Ciphering Mode Command BSSMAP CIPHER Mode Command RR Ciphering Mode Complete CC Set Up (num demandé) BSSMAP Cipher Mode Complete CC Call Proceeding RR Assignment Request BSSMAP Assignment Request RR Assignment Complete BSSMAP Assignment Complete CC Alerting CC Connect CC Connect Acknowledge ISUP IAM ISUP ACM ISUP ANM 23

24 Exemple : Appel Entrant... MT BTS-A MSC/VLR HLR GMSC CA ISUP IAM (MISDN) MAP_send_routing_info MAP_provide_roaming_number MAP_provide_roaming_number.ack MAP_send_routing_info ack ISUP IAM (MSRN) Paging Authentification + Passage en mode crypté CC Setup CC Call Confirmed BSSMAP Assignment Request RR Assignment Command RR Assignment Complete BSSMAP Assignment Complete CC Alerting CC Connect ISUP ACM ISUP ANM ISUP ACM 24 ISUP ANM

25 Exemple : Handover intra-bsc MT BTS-A BSC BTS-B RR Measurement Report SACCH BTSM Measurement Result RR Measurement Report BTSM Measurement Result SACCH BTSM Channel Activation FACCH RR Handover Command BTSM RF Channel Release BTSM RF Channel Release ack BTSM Channel Activation ACK BTSM Handover Detection RR Handover Complete RR Handover Access Access burst sur TCH RR Handover Access Access burst sur TCH RR Physical Info UI - FACCH RR Physical Info UI - FACCH SABM - FACCH UA - FACCH FACCH MT 25

26 Exemple : Mise à jour localisation... MT BTS MSC/VLR2 Etablissement d 1 canal dédié MM Location Updated Request (TMSI,LAI) BSSMAP Complete Layer 3 info [Location Update Request] MM Authentication Request HLR MAP Send Identification (TMSI) MAP Send Identification ack (IMSI, Rand, Sres, Kc) VLR1 MM Authentication Response Passage en mode crypté MM TMSI Reallocation Command MM TMSI Reallocation complete MM Location Update Accept Libération connexions et ressources MAP Update Location MAP insert subscriber data MAP insert subscriber data ack MAP update location ack MAP Cancel Location MAP Cancel Location ack 26

27 Architecture Protocolaire SMS... SMS-GMSC MT MSC/VLR SC SME SMS-IWMSC SM-AL SM-TL SM-TL SM-RP CM SM-CP SM-RP CM MAP MAP MM MM RR BSSAP TCAP TCAP LAPDm SSCP SSCP SSCP PHY MTP1-3 MTP1-3 MTP1-3 SME : Short Message Entity 27

28 Transfert d 1 SMS depuis 1 mobile... MT BTS MSC/VLR HLR SMS-IWMSC SC Etablissement d 1 canal dédié Authentification et passage en mode crypté SMS CP-data [RP-data] SMS CP-ack MAP Forward Short Message Envoi du Message SMS CP-data [RP-ack] SMS CP-ack MAP Forward Short Message ack acquittement Libération 28

29 Transfert d 1 SMS vers 1 mobile... MT BTS MSC/VLR HLR SMS-GMSC Paging et réponse Authentification et chiffrement MAP send routing info for SM MAP send routing info for SM ack MAP Forward Short Message SC Transfert de Message SMS CP-data [RP-data] SMS CP-ack SMS CP-data [RP-ack] SMS CP-ack libération MAP Forward Short Message ack MAP rapport délivrance MAP rapport délivrance ack Compte-rendu d expédition 29

30 Transmission d 1 SMS sur SDCCH... MT RR Channel Request SDCCH BTS Channel Required Allocation canal dédié BSC MSC SABM[CM Request Service] SDCCH UA[CM Request Service] SDCCH Establish Indication [CM Service Request] Authentification et chiffrement SCCP Connection Request [CM Service Request] SABM[SAPI=3] SDCCH UA[SAPI=3] SDCCH Establish Indication [SAPI=3] SMS CP-DATA + ACK SDCCH SDCCH DISC[SAPI=0] SDCCH UA[SAPI=0] SDCCH RR Channel Release Deactivate SACCH Release Indication RF Channel Release RF Channel Release Ack Clear Command Clear Complete 30