Chapitre 2 Réseaux GSM-DCS

Chapitre 2 Réseaux GSM-DCS Stéphane Ubéda INSA Lyon TC

Historique de la norme 1979, World Administrative Radio Conference Accord : 900 MHz pour le mobile 1982, Conférence Européenne des Postes et Télécommunications Deux sous-bandes de 25 MHz 890-915 Terminaux -> Réseaux 915-960 Réseaux -> Terminaux 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 2

Une norme européenne Groupe Spécial Mobile Acronyme ré-interprété Global System for Mobile Communications France/Allemagne (tout numérique) 1987, transmission numérique avec multiplexage temporel à bande moyenne 13 pays Européens pour une ouverture concertée en 91 3 acteurs en France : FT, SFR, BoT 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 3

Ouverture commerciale Appel d offres international Choix de la France Alcatel et Matra Juillet 91, première communication Octobre 91, réseau de démonstration Décembre 91, réseau pilote Juillet 92, ouverture commerciale 91, adaptation dans la bande 1800 MHz 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 4

Aujourd'hui 1er réseau mobile mondial 820 réseaux GSM-DCS déployés 220 pays couverts 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 5

Aujourd'hui 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 6

Aujourd'hui 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 7

Structure de normalisation European Telecommunications Standards Institute (ETSI <=> ANSI) Structuré en comités techniques 1994, 350 membres dont des non-européens (Australie) Norme adoptée hors Europe Concurrence : norme US et norme Japon 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 8

Principales caractéristiques Approche réseau Diversité des services Architecture spécifiée Interface radio élaborée Entièrement spécifié GSM 900 et DCS 1800 Système global Pas limité à l interface radio 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 9

Interface Radio GSM-DCS TDMA : 8 Modulation : 271 kbit/s Parole : 13 kbit/s Données 12 kbit/s Multipléxage Fréquence & Temps 890-915 MHz 935-960 MHZ 45 MHz 0,3 à 30 km 2 à 8 W 1710-1785 MHz 1805-1880 MHz 95 MHz 0,1 à 4 km 0,25 à 1 W 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 10

Le terminal Abonnement/terminal Subscriber Indentity Module (SIM) Différenciation «numéro d abonnés» Mobile Station ISDN Number «identité» Mobile Suscriber Identity 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 11

Numéro et identité Mr Dupont MSISDN 33 06 07 62 17 73 IMSI 208 01 314159 IMSI 208 01 314159 SIM 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 12

Types de services Services support ou bearer services garantie d une capacité de communication Téléservices Terminal + applications Services supplémentaires Facilités d utilisation (option) Fax, conf. Call, etc. 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 13

Services supports/téléservices Caractéristiques techniques garanties Débit, taux d erreur, synchrone/asynchrone Téléservice Services supports Equipement Terminal Réseau Equipement Terminal 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 14

Services supports de GSM Type de service Transfert Débit Accès Mode Remarque 3,1 KHz 300, 1200, 2400, 4800 ou 9600 bit/s Asynchrone T ou NT V.21, V.22bis, V.é-ter et V.32 3,1 KHz 1200, 2400, 4800 ou 9600 bit/s Synchrone T ou NT V.22, V.22bis, V.26ter et V.32 Circuit de données 3,1 KHz UDI UDI UDI UDI(PAD) Accès asynchrone à un réseau de données UDI(PAD) Accès synchrone à un réseau de données UDI(Paquet) BS->MS 1200 bit/s MS->BS 75 bit/s Asynchrone T ou NT 300, 1200, 2400, 4800 ou 9600 bit/s Asynchrone T ou NT BS->MS 1200 bit/s MS->BS 75 bit/s Asynchrone T ou NT 1200, 2400, 4800 ou 9600 bit/s Synchrone T ou NT 300, 1200, 2400, 4800 ou 9600 bit/s Asynchrone T ou NT BS->MS 1200 bit/s MS->BS 75 bit/s Asynchrone T ou NT 2400, 4800 ou 9600 bit/s Synchrone NT Appel depuis un mobile, V.23 Appel depuis un mobile. Appel depuis un mobile. Appel depuis un mobile. T=transparent (pas de couche Radio Link Protcol) NT=non-transparent (appel a RLP => HDLC) UDI=numérique de b en b // 3,1 KHz passage en analogique PAD=passage par un assembleur de paquet 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 15

Services supports (suite) PAD = Paquet Assembler Disassembler Accès à un réseau à commutation de paquet UDI = Unrestricted Digital Information PLMN est relié à RNIS (continuité totale) Transparent = circuit établi entre le MS et le MSC (taux de transfert constant)(fec) Non-transparent = protocole de niveau2, Radio Link Protocole (RLP)(ARQ) 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 16

Téléservices de GSM Classe Dénomination Abréviation Transmission de la voix Téléphonie Appels d'urgence Messages courts vers un mobile en SM MT/PP point à point Messages courts Messages courts venant d'un mobile en SM MO/PP point à point Messages courts en diffusion vers mobiles Transmission alternée voix/fax groupe 3 Fax (T ou NT) Transmission automatique fax groupe 3 (T ou NT) 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 17

Services supplémentaires de GSM Identification de numéro (appelant/appelé) Renvoi d appel Double appel Appel en conférence Groupe fermé d usagers Facturation Restriction d appel Non structurés 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 18

Fonctions de sécurité Algorithme de chiffrement Transmission de l identité du mobile localisation, réception Temporary Mobile Subscriber Identity Changer après 1+ utilisation Clé d accès au réseau sur la SIM 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 19

Les réseaux Réseau Téléphonique Commuté Public RTCP (PSTN en anglais) Public Land Mobile Network (PLNM) Accès radio au RTCP Commutateurs spéciaux bases de données Sous-systèmes radio Sous-systèmes réseau 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 20

Généralité Réseau hiérarchique Architecture Standardisée Non figée Public Land Mobile Network Top : Global Mobile Switching Center Down : cells / locations area 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 21

Présentation d ensemble Sous-système radio (BSS ou Base Station Sub-system) Sous-système d acheminement ou réseau fixe (NSS ou Network Sub-System) Sous-système d exploitation et de maintenance (OSS ou Operation Sub- System) 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 22

Schéma global H AUC BTS BTS BTS BTS BSS BSC BSC HLR C MSC D E NSS VLR B F EIR G R T C P BTS BTS Abis BSC MSC VLR 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 23 A

Composants BSS NSS BTS ou Base Transceiver Station émetteurs-récepteurs + une certaines intelligence BSC (Base Station Controller) contrôle un ensemble de BTS MSC ou Mobile services Switching Center) Commutateurs mobiles Visitor Location Register HLR ou Home Location Register base de données de localisation et de caractérisation des abonnées 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 24

Fonctions de la BTS Emetteur-récepteur ou TRX Modulation/démodulation, égalisation, codage, correction d erreur Mesures radio (transmises au BSC) Un TRX = 1 porteuse = 7 communications Rural BTS=1 TRX, Urbain BTS=2-4 TRX 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 25

Types de BTS BTS Standards (2,5-320 Watt) Locaux techniques Antennes + câble + coupleur + 1-4 TRX Micro-BTS (0.01-0.08 Watt) Zone urbaine dense Equipement intégré Coût faible 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 26

Exemple de BTS 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 27

Micro BTS 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 28

Equipements 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 29

Configurations BTS-BSC BTS BTS BSC BTS BTS BTS BTS BSC BTS BTS BTS BSC Sectorisation 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 30

Fonction du BSC Partie intelligente du BSS Gestion des ressources radio Allocation de fréquence Contrôle des puissances mobile/bts Décision et exécution Handover Reçoit les mesures des BTS Commutateurs Pour Paris intra-muros quelques dizaines de BSC 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 31

Fonctions du HLR Mémorise les caractéristiques d un abonné Identification internationale Numéro d annuaire d abonné Profil d abonnement Mémorise le VLR où l abonné est connecté (même à l étranger) Centralisé ou non 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 32

Fonctions du MSC et du VLR Commutateur du service mobile Communication mobile <> autre MSC Handover si hors BSC Gère le VLR pour la mobilité des usagers (identité temporaire) Fonction de passerelle avec RTC 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 33

Sous-système d exploitation Contrôle de performance Administration commerciale Gestion de la sécurité Maintenance Equipement Identity Register (EIR) Base de données de l identité des terminaux Contrôle homologation, déclaration de vol... 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 34

Taille des infrastructures Un operateur en france (on dit pas lequel) 50 MSC, VLR=MSC, 1 MSC contrôle 20 BSC 10000 BTS, 1 BSC contrôle 40 BTS, 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 35

Organisation du TMN TMN = Telecommunication Management Network Equipement de médiation Réseaux de données OMC NMC BTS BTS HLR Réseaux de données BSC MSC 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 36

Liste des interfaces Nom Localisation Utilisation Um MS-BTS Interface radio Abis BTS-BSC Divers A BSC-MSC Divers Interrogation HLR Appel C GMSC-HLR entrant Interogation HLR SM SM-GMSC-HLR entrant Gestion Informations D VLR-HLR abonnés HLR-VLR Services supplémentaires E MSC-SM-GMSC Transport SM MSC-MSC Exécution de Handover G Gestion Informations VLR-VLR abonnés F MSC-EIR Vérification terminal B MSC-VLR Divers H HLR-AUC Authentification 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 37

Couches du sous-système radio Philosophie des couches ISO BSS Couche 1 physique Couche 2 liaison de données fiabilisation de la transmission (protocole) Couche 3 réseau gestion des circuits commutés 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 38

Couche 3 réseau Radio Ressource (RR) gestion des canaux logiques surveillance des balises Mobility Management (MM) localisation/authentification/allocation de la TMSI Connection Management (CM) Call Control, Short Message Service, Supplémentary Services 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 39

Interface avec le réseau fixe 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 40

Problématique particulière Itinérance localisation de chaque mobile mobile «actif» même en état de veille Canal radio authentification de l abonné identité temporaire chiffrement 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 41

Numérotation liée à la mobilité IMSI identité invariante de l abonné (intérieur) TMSI identité temporaire (mobile-bts) MSISDN numéro d abonné (extérieur) MSRN attribué lors d un appel (acheminement) 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 42

Temporary Mobile Station Identity Zone gérée par un VLR Uniquement MS-MSC/VLR Le HLR ne le connaît pas Taille réduite (4 octets) Changement de VLR changement de TMSI 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 43

Mobile Station Roaming Number Routage du GMSC vers le MSC courant Attribué par le VLR du mobile Numéro de téléphone «classique» 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 44

Echanges lors d un appel VLR MSC HLR GMSC (4) (7) IMSI MSRN (2) (6) 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 45 (5) (3) MSRN TMSI ou IMSI MSISDN MSRN MSISDN (1)

Authentification GSM Sur 3 niveaux : Authentification carte SIM Vérification des identités (IMSI, TMSI) Chiffrement Collaboration avec la BD AuC (Authentication Center) 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 46

Authentification et chiffrement Des nombres aléatoires RAND Une clé d authentification Ki Secrète et attribué à l usagé (jamais transmise) Un algorithme d'authentification A3 SRES = A3(RAND,Ki) Un algorithme : calcul de la clé de chiffrement Kc Kc=A8(RAND,Ki) Un algorithme A5 de chiffrement/déchiffrement (Kc) 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 47

Authentification Ki SIM RAND Ki HLR A3 A3 SRES = Refusé Accepté 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 48

Chiffrement Ki SIM RAND Ki HLR A8 A8 Kc Kc 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 49

Données de sécurité SIM VLR HLR/AUC IMSI TMSI Kc Ki A3 A8 A5 Kc A5 IMSI TMSI Kc RAND SRES IMSI Ki A3 A8 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 50

Gestion de l'itinérance Deux mécanismes Localisation savoir où se trouve le mobile à tout moment Recherche émettre des messages d avis de recherche dans les cellules visitées dernièrement 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 51

Zones de localisation Groupe de cellules BTS émettent un numéro de localisation Au changement de zone le mobile signale sa localisation ZL 1 ZL 2 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 52

Zone recherche Message de paging 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 53

Handover MS et BTS effectuent des mesures MS : puissance et qualité du signal reçu (canal descendant), puissance des signaux des cellules voisines BTS : puissance et qualité du signal reçu (canal montant), distance MS-BTS, niveau d interférence Le MSC décide du handover changement de cellule ou libération de fréquence 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 54

Handover Réseau 1 RTC Réseau 2 BSC Intra-MSC BSC BSC BSC Intra-BSC Inter-MSC Intra-Cellulaire Inter-Réseau 16/01/07 Stéphane Ubéda et Fabrice Valois ARM Chapitre 3 55