Interface Radio GSM. canaux logiques

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1 Interface Radio GSM canaux logiques rev01.00jg 09/01/2002 1

2 Généralités Canaux de contrôle logiques Canaux dédiés Voie balise Canaux de contrôle commun Scrutation dans la trame TDMA Synthèse 2

3 Canaux logiques interface radio est le maillon faible de la chaîne de transmission GSM. atténuation evanouissements rapides interférences trajets multiples renforcement de l interface radio avec des fonctions de contrôle afin de : - se rattacher à une station de base favorable - établir une communication - surveiller le déroulement d une communication - assurer des commutations de cellules (handover) transferts de données : informations système, relevés de mesures, messages de contrôle canaux logiques spécifiques Généralités 3

4 Canaux logiques transmettre des informations utilisateur pendant les différentes phases de communication ou pendant l état de veille. veille scrutation mesures contrôle voie balise permet l activation de fonctions physiques ou logiques qui sert de lien entre le mobile et le système (communication ou veille) apparition d un grand nombre de tuyaux (pipe) numériques qui permettent de transporter les données utilisateur ou les données de contrôle TCH (Traffic Channel) est le canal transportant la parole Généralités 4

5 SACCH TCH LAPDm FACCH SACCH SDCCH AGCH PCH BCCH SCH RACH FCCH Couche Physique Dedicated Chanels Common Control Chanels Broadcast Chanels Canaux logiques GSM Généralités 5

6 Canaux logiques GSM système téléphonique orienté «circuit». gère des circuits téléphoniques équivalents BSC affecte des TCH à un mobile qui désire communiquer canal de trafic accompagné de canaux logiques de contrôle difficulté de la présentation et la compréhension de l interface radio Modèle en couches de l interface radio analogie avec le modèle OSI - couches 1, 2 et 3 (physique, liaison de données et réseau) contiennent les éléments indispensables, matériels et logiciels pour assure une transmission. - couches 4, 5, 6 et 7 (transport, session, présentation et application) sont de nature plus informatique et concernent le plan de signalisation. Généralités 6

7 Couche Réseau Call Management (CM) Call Control (CC) Supplementary Service (SS) Short Message Service (SMS) Couche Liaison de données mécanisme de retransmission Mobile Mgt (MM) Authentification Mise à jour de loc. IMSI, Identification Radio Ressource (RR) Paging, Activation, Chiffrement, Handover, Rapport de mesures TCH SACCH FACCH SDCCH RACH PCH AGCH BCCH SCH FCCH Contrôle de lien radio Protection et Détection des erreurs Canaux physiques et logiques Couche Physique Construction des bursts Généralités 7

8 Canaux physiques Canaux logiques paire de fréquences : un slot particulier est alloué à une communication avec un mobile donné. paire de slots forme un canal physique duplex forme la base de 2 canaux logiques : - TCH qui porte la voix numérisée - un canal de contrôle le SACCH (Slow Associated Control Channel) qui permet le contrôle des paramètres physiques de la liaison. Canal Physique TCH SACCH Canaux de contrôle logiques 8

9 Fonctions de contrôle diffusion des informations systèmes : Broadcast Channels (BCCH, SCH, FCCH) prévenir les mobiles des appels entrant et faciliter leur accès au système : Common Control Channels (RACH, AGCH, PCH) contrôler les paramètres physiques avant et pendant les phases actives de transmission (FACCH, SCH, SACCH) fournir des supports pour la transmission de la signalisation téléphonique (SDCCH) pas de nécessité d utiliser un canal physique plein. allocation moins d un slot par trame : multitrames qui permet de repérer un slot dans la trame. Canaux de contrôle logiques 9

10 Structure de multitrame trame TDMA 4,615 ms multitrame ,615 ms entre 2 slots d une multitrame, il s écoule 4,615 ms multitrame canal logique limitation de la scrutation des équipements on affecte à chaque slot d un multitrame (et sur une certaine porteuse) une fonction précise. Canaux de contrôle logiques 10

11 De la multitrame à l hypertrame 120 ms 235,8 ms Multitrame Multitrame Supertrame Hypertrame h 28 min 53 s 760 ms Canaux de contrôle logiques 11

12 De la multitrame à l hypertrame hypertrame = trames TDMA (3h 28 min 53 s 760 ms) chaque trame TDMA est repérée par un compteur FN (Frame Number) dans l hypertrame. la BTS transmet régulièrement au mobile le compteur FN lui permettant de se repérer dans l hypertrame. l hypertrame d une BTS commence au même instant pour l ensemble des fréquences. FN est la base de temps propre de la BTS et sert pour le chiffrement. À un instant donné, les compteurs FN de 2 BTS différentes peuvent ne pas avoir la même valeur. Canaux de contrôle logiques 12

13 Canaux logiques dédiés : Classification des canaux logiques fournit une ressource réservée à un mobile. attribue au mobile une paire de slots (un en émission un en réception) dans lequel il est seul à transmettre et à recevoir. dans la même cellule, aucun autre mobile ne peut transmettre ni recevoir dans le même slot à la même fréquence. les canaux logiques dédiés sont duplex Canaux logiques non dédiés : partagés par un ensemble de mobiles. sens descendant : mobiles à l écoute du canal (réveil d un mobile) sens montant : fonction d accès multiple. les canaux logiques non dédiés sont simplex Canaux de contrôle logiques 13

14 Broadcast Channel (BCH) unidirectionnel en diffusion (voie balise) Common Control Channel (CCCH) accès partagé Dedicated Control Channel Traffic Channel (TCH) Frequency Correction Channel (FCCH) Synchronization Channel (SCH) Broadcast Control Channel (BCCH) Paging Channel (PCH) Random Acces Channel (RACH) Acces 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 ou HS) Traffic Channel for data (TCH/FS ou HS) Calage sur fréquence porteuse Synchronisation + Identification Information Système Appel du mobile Accès aléatoire du mobile Allocation de ressource Messages courts diffusés Signalisation Supervision de la liaison Execution du handover Voix plein/demi débit Données utilisateur Canaux de contrôle logiques 14

15 TCH et SDCCH : Canaux dédiés transportent les données utilisateur (trafic TCH) ou provenant des couches hautes (signalisation SDCCH). débit canal de trafic >> débit canal de signalisation canal physique : 1 TCH et son SACCH associé ou 8 SDCCH et leurs SACCH associés SDCCH = TCH/8 SACCH (Slow Associated Control Channel) : lien radio fluctuant ajustement des paramètres pour conserver une qualité de services acceptable. association d un SACCH à un TCH ou SDCCH. compensation du délai de propagation aller-retour (TA) contrôle de la puissance d émission du mobile contrôle de la qualité du lien radio rapatriement des mesures effectuées sur les stations voisines Canaux dédiés 15

16 FACCH : Canaux dédiés lenteur du SACCH ne convient pas aux actions rapides comme le handover. lors du handover, on suspend la transmission des informations usagers, et on récupère la capacité libérée afin d écouler la signalisation. association différente que pour le SACCH vol de la capacité TCH multiplexage TCH-SACCH implantation des canaux FACCH multiplexage SDCCH-SACCH Canaux dédiés 16

17 Multiplexage TCH-SACCH Canal de parole plein débit : transmettre un bursts de parole toutes le 5 ms trame TDMA = 4,61538 ms période de 120 ms (multitrame 26), 6 blocs de parole (24 bursts) sont engendrés. le mobile dispose de 26 slots 2 slots de libre (1 SACCH, 1 idle ou au repos (scrutation des voies balise des cellules voisines)) 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 T : TCH A : SACCH i : idle Canaux dédiés 17

18 Implantation des canaux FACCH vol de la capacité normalement destinée aux informations utilisateur. même entrelacement que le TCH drapeaux de préemption (stealing bits) Bit = 0 bits de données pairs = TCH Bit =1 bits de données pairs FACCH Bits de données 57 bits TCH ou FACCH Séquence d apprentissage 1 26 bits 1 Bits de données 58 bits TCH ou FACCH 3 bits 3 bits Bit = 0 bits de données impairs = TCH Bit =1 bits de données impairs FACCH Canaux dédiés 18

19 Implantation des canaux FACCH exemple de transmission du FACCH T T T T T T T T F F F F T T T T F F F F T T T T A T T T T T T T T i T : TCH F : FACCH A : SACCH i : idle les deux lettres indiquent le canal logique supporté par chaque demiburst (une seule lettre signifie que les deux demi-bursts supportent le même canal) Canaux dédiés 19

20 Multiplexage SDCCH-SACCH D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 A 0 A 1 A 2 A 3 A4 A5 A6 A7 A 1 A 2 A 3 D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 A 5 A 6 A 7 A 0 A4 A5 A6 A4 Di : canal SDCCH i Ai : canal SACCH i associé au canal SDCCH i SDCCH et son canal SACCH multiplexé sur un canal physique SDCCH = TCH/8 1 suite de 2 multitrames 51 pour 8 canaux SDCCH et son SACCH Les slots 32 à 47 sont utilisés sur les multitrames paires (impaires) pour les canaux associés aux canaux SDCCH 0,1,2 et 3 (4,5,6 et 7) Canaux dédiés 20

21 Voie balise se raccorder en permanence à la station de base la plus favorable voie balise (beacon channel) propre à chaque station de base indispensable à l itinérance et le handover fréquence particulière appartenant aux fréquences allouées à la station mobile mesure périodiquement le niveau du signal qu il reçoit et détermine si il est à la portée de la station chaque voie balise comprend des signaux de forme spécifique (détection et calage en fréquence et en temps) et des informations systèmes (identité du réseau et caractéristiques d accès) mise sous tension : calage sur la voie balise de la BTS veille : surveille constamment le signal reçu sur cette voie et sur les voies des stations voisines Voie balise 21

22 Voie balise mobile écoute périodiquement les voies balises des stations avoisinantes et mesure la puissance reçue. liste des stations susceptibles de l accueillir en cas de handover scrutation des voies balises se fait en permanence (veille ou communication) voies balises : - fréquence descendante (fréquence - balise) : émission en permanence d un signal modulé de puissance constante qui permet aux mobiles de faire des mesures de puissance. - canaux logiques en diffucion (Broadcast Channel) implantés sur cette fréquence balise sur le slot 0 (FCCH, SCH, BCCH). Voie balise 22

23 Canal FCCH FCCH (Frequency Correction Channel) burst particulier émis environ toutes les 50 ms. composé de 148 bits à 0. émission sur une fréquence porteuse f0 donne un signal sinusoïdal de fréquence f /24 khz (écart de fréquence introduite par la modulation GMSK) porteuse pure décalée en fréquence qui permet un calage fin de l oscillateur du mobile. FFCH présent sur le slot 0 de la voie balise est émis dans les trames 0, 10, 20, 30 et 40 d une multitrame 51. (20 fois par seconde) Voie balise 23

24 Canal SCH SCH (Synchronisation Channel) fournir aux mobiles tous les éléments nécessaires à une synchronisation complète. composé de 148 bits à 0. 2 niveaux de synchronisation : - synchronisation fine : aide à la détermination du TA. - synchronisation logique : détermination du FN (mettre le compteur de trame FN du mobile en phase avec celui de la BS. séquence d apprentissage commune à toutes les stations de base sur tous les PLMN car c est le premier burst qu une station mobile décode. Voie balise 24

25 Structure du burst de synchronisation Trame TDMA Slot : 156,25 bits (577 us) 8,25 bits (30,46 us) Bits de données encodés Séquence d apprentissage Bits de données encodés 3 bits 39 bits 64 bits 39 bits 3 bits Format du burst de synchronisation Slot = Burst + Période de garde (30,46 us) Voie balise 25

26 Place dans la multitrame SCH FCCH et SCH émis dans le slot 0 d une trame TDMA. situé une trame après le burst FCCH. après le calage en fréquence, c est ce burst que tente de décoder le mobile. détection du burst voie balise que le mobile écoute F S F S F S F S F S F F : FCCH S : SCH Voie balise 26

27 Données transportées dans le SCH SCH transporte sur chaque burst 2 paramètres sur 25 bits : - numéro de la trame réduit RFN (19 bits) permettant de déterminer le FN - code de couleur BSIC (6 bits) dont le rôle est discriminer plusieurs stations de base peu éloignées ayant la même fréquence bits de CRC et 4 bits de trainée = mot de 39 bits synchronisation logique : 11 bits pour numéro de la supertrame, 5 bits pour numéro de la multitrame 51, 3 bits place du SCH parmi les 5 places possibles dans la multitrame 51 (1, 11, 21, 31, 41) code couleur BISC permet de différencier deux voies balises (BTS) sur la même fréquence (mobile à mi-distance entre les deux BTS) - 3 bits : code couleur d une BTS dans un PLMN - 3 bits : code couleur d un PLMN Voie balise 27

28 Canal BCCH BCCH (Broadcast Control Channel) diffusion des données caractéristiques de la cellule. diffusion régulière d informations systèmes de plusieurs types. - paramètres de sélection de la cellule - numéro de zone de localisation - liste des porteuses allouées à la BS (saut de fréquence) - ensemble de paramètres : contrôle de puissance, DTX - diffusion de l identité de la BTS au sein de la zone de loc. 4 bursts normaux à chaque multitrame 51 (4,255 infos/seconde) se situe généralement sur le slot 0 de la fréquence BCCH Voie balise 28

29 Canal RACH RACH (Random Access Channel) requête pour envoi d informations (localisation, appel, message court) requête courte sur un seul burst en accès aléatoire ALOHA. - burst utilisé est plus court que le burst normal le mobile ne connaît pas le délai de propagation entre l endroit où il se trouve et la station de base. le délai de garde est fixé à 252 us pour permettre une distnace maximale de 37,8 km (marges de sécurité : 35 km). requête contient entre 3 et 6 bits indiquant la catégorie du service demandé. Canaux de contrôle commun 29

30 Canal RACH Slot : 156,25 bits (577 us) Séquence de synchronisation Bits de données encodés 68,25 bits (252 us) 8 bits 41 bits 36 bits 3 bits 41 bits de synchronisation pour allonger la plage de synchro. bits de données : 8 bits utiles + 6 bits couleur BISC = 14 bits - se rajoute 4 bits de trainée = 18 bits - code convolutionnel de taux ½ = 2 x 18 bits = 36 bits Canaux de contrôle commun 30

31 Canal AGCH AGCH (Access Grant Channel) allocation d un canal de signalisation pour l identification du mobile, l authentification et la détermination de la demande. allocation d un canal dédié. message d allocation contient la description complète du canal de signalisation utilisé : - numéro de porteuse - numéro de slot - description du saut de fréquence (s il est implanté) - paramètre TA message d allocation codé en 8 blocs de 57 bits entrelacés sur 4 bursts normaux. Canaux de contrôle commun 31

32 Canal PCH PCH (Paging Channel) diffusion (par l infrastructure) de l identité du mobile sur un ensemble de cellules. mobile répond sur le canal RACH. possibilité d appeler 4 mobiles dans le même message en utilisant le TMSI. message d allocation codé en 8 blocs de 57 bits entrelacés sur 4 bursts normaux. Canaux de contrôle commun 32

33 Scrutation dans les trames TDMA voie desc BTS courante i voie mont BTS courante voie desc BTS voisine i activité du mobile réception émission mesure réception émission Fenêtre d observation du mobile réception Mesure et décodage lire le slot 0 d une BTS quelconque toutes les 26 trames TDMA Scrutation dans la trame TDMA 33

34 Scrutation dans les trames TDMA Activité mobile i T T T T TT T T T T T TAT T T T T T T T TT T T i T T T T TT T T T T T TAT T T T T T T T TT T T i F S F S F S F S F S F F S Émission voie balise décalage de la fenêtre d analyse sur la multitrame 51 (26 et 51 sont premiers entre eux). lecture du slot 0 de la multitrame 51 slot 0 de la trame 0, 26, 1, 27, 2, 28, 3 etc et notamment la synchronisation SCH. Scrutation dans la trame TDMA 34

35 Type Taille du bloc en bits utiles Taille du bloc codé Nbre bursts (entrelace ment) Débit d entrée (b/s) Délai dû à l entrelace ment (ms) Synthèse 35 Périodicité du bloc (ms) TCH/FS *1/ TCH/HS *1/ TCH/F9,6 4* TCH/F4,8 2* TCH/H4,8 4* TCH/F2,4 2* *1/ TCH/H2,4 2* FACCH/F *1/ FACCH/H *1/ SACCH (TCH) SDCCH ,8 SACCH (SDCCH) ,6 Caractéristiques des canaux logiques dédiés et associés

36 Type Taille du bloc en bits utiles Taille du bloc codé Nbre de bursts (entrelacem ent) Délai dû à l entrelacem ent Périodicité du bloc (ms) FCCH 0 0 SCH BCCH ,8 PCH+AGCH RACH Caractéristiques des canaux logiques non dédiés Synthèse 36

37 Structure Canaux de contrôle diffusés 51 FCCH + SCH + BCCH 51 FCCH + SCH + BCCH Canaux de contrôle partagés PCH + AGCH + RACH PCH + AGCH + RACH 51 BCCH PCH + AGCH + RACH Canaux dédiés (sign. ou trafic) Canaux associés 51 8 SDCCH 8 SACCH Remarque Seulement sur le slot 0 et porteuse BCCH 4 SDCCH 4 SACCH Pas de saut de fréquence Seulement sur slot 2,4,6 et porteuse BCCH Pas de saut de fréquence 26 1 TCH/F ou 1 FACCH 26 2 TCH/F ou 2 FACCH 1 SACCH 2 SACCH Structure de multiplexage possible sur un slot Synthèse 37

38 Références [1] Xavier Lagrange et. Al., «Réseaux GSM», HERMES 2000, ISBN [2] Roger L. Freeman, «Radio System Design for telecommunications», Wiley-Interscience 1997, ISBN [3] Recommandation UIT-R M , «Systèmes Mobiles Terrestres cellulaires Numériques de Télécommunication» [4] 3G TS ETSI «GSM, GPRS, UMTS Service Description» 38

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