Les Réseaux GSM et les différents générations Steffenel Master 2 Professionnel STIC-Informatique 1
Historique Les premiers réseaux téléphoniques cellulaires, connus sous le terme de système de 1ère génération, utilisaient des canaux de trafic analogiques Au début des années 80, le système de 1ère génération le plus répandu en Amérique du Nord a été AMPS (Advanced Mobile Phone Service), développé par AT&T 2 bandes de 25 Mhz sont allouées à l'amps Une bande pour les transmissions des stations de base vers les mobiles, l'autre pour les transmissions des mobiles vers les stations de base Chacune de ces bandes est divisée en 2 pour encourager la concurrence Chaque opérateur reçoit donc seulement une bande de 12,5 Mhz dans chaque direction Les canaux sont espacées de 30 khz, ce qui autorise un total de 416 canaux par opérateur dont 21 sont dédiés au contrôle Steffenel Master 2 Professionnel STIC-Informatique 2
Caractéristiques Techniques Les canaux de contrôle sont des canaux de données opérant à 10 kbit/s Les canaux voix transportent les communications par signaux analogiques modulés en fréquence Bande de transmission de station de base: 869 à 894 MHz Bande de transmission du mobile: 824 à 849 MHz Espacement entre canaux montant et descendant: 45 MHz Largeur de bande d'un canal: 30 khz Puissance maximale du mobile: 3 W Taille d'une cellule: 2 à 20 km Débit de transmission: 10 kbit/s Steffenel Master 2 Professionnel STIC-Informatique 3
Fonctionnement d'amps Chaque téléphone cellulaire AMPS inclut un module NAM (Numeric Assignment Module) dans une mémoire en lecture seule Ce module contient le numéro de téléphone et le numéro de série de l'appareil A chaque mise en service du téléphone, ces informations sont transmises au centre de commutation En cas de vol, le numéro de série sert à bloquer tout appel Le numéro de téléphone sert à la facturation des appels Steffenel Master 2 Professionnel STIC-Informatique 4
Déroulement d'un Appel L'abonné initie un appel en composant le numéro voulu et appuie sur la touche d'envoi Le centre de commutation vérifie les droits associés à l'utilisateur, à son numéro de téléphone et au numéro de série de l'appareil (existence ou pas du numéro de série dans la base de données des appareils volés) Le centre envoie les canaux de trafic à employer pour l'envoi et la réception Le centre envoie un signal d'appel à l'appareil appelé. Toutes ces opérations se font dans un délai de 10 s à partir de l'appel Lorsque la personne appelée répond, le centre établit un circuit entre les 2 interlocuteurs et débute l'enregistrement des informations de facturation Lorsque l'un des interlocuteurs raccroche, le centre libère le circuit, les canaux radios utilisés et met fin à l'enregistrement Steffenel Master 2 Professionnel STIC-Informatique 5
Les Canaux de Contrôle AMPS Chaque service AMPS inclut 21 canaux de contrôle montant et 21 canaux descendant Ces canaux servent à la transmissions de données numériques sous forme de trames Les messages montants (mobile vers station) contiennent des informations comme l'origine, la réponse de notification et la confirmation d'ordre Les messages descendants (station vers mobile) incluent les messages de notification d'appel et d'assignation de fréquences. Ils informent également sur l'état (inactif ou occupé) de la trame montante correspondante Les informations de contrôle peuvent être transmises sur un canal voix durant une conversation. Le mobile ou la station de base insère alors une séquence de données en désactivant la transmission FM du trafic voix pendant environ 100 ms. Ces messages sont utilisés pour des notifications urgentes comme l'ajustement de la puissance ou le transfert intercellulaire. Steffenel Master 2 Professionnel STIC-Informatique 6
Les Différents Types de Multiplexage FDMA Multiplexage en fréquence Technique purement analogique Chaque utilisateur est alloué à une fréquence (porteuse) différente TDMA Multiplexage temporelle Technique associée à FDMA Différents canaux sont multiplexés dans une seule fréquence par la sous-division de celle-ci en créneaux CDMA Étalement en spectre (division par code) Tous les utilisateurs utilisent la totalité de la bande passante Ils sont différentiés grâce à des codes individuels Steffenel Master 2 Professionnel STIC-Informatique 7
Fonctionnement de FDMA Une bande de fréquence est allouée à chaque message Des filtres permettent la récupération du message Steffenel Master 2 Professionnel STIC-Informatique 8
Fonctionnement de TDMA Chaque correspondant ou message occupe la totalité de la bande mais pendant un temps très court Les échantillons issus d un message sont intercalés avec ceux des autres, un tri se fait à la réception Steffenel Master 2 Professionnel STIC-Informatique 9
Fonctionnement de CDMA Soit au départ un signal qui possède un débit binaire D. Chaque bit est subdivisé en un nombre k d'intervalles appelés chips selon une séquence propre à chaque utilisateur et servant à identifier ses flux Supposons k=6 et le code utilisateur <1,-1,-1,1,-1,1>. Quand A veut émettre 1, il émet simple son code, c'est à dire 1,-1,-1,1,-1,1. S'il veut émettre 0, il émet son complément, c'est à dire -1,1,1,-1,1,-1 Comme le récepteur connaît les codes des utilisateurs, il est alors en mesure de savoir qui a fait une transmission en effectuant simplement l'opération code reçu x code utilisateur Avec un résultat égal à 6 (ou -6), A a transmis 1 (ou 0), sinon cela ne provient pas de A Steffenel Master 2 Professionnel STIC-Informatique 10
La 2ème Génération La deuxième génération (2G) de téléphone cellulaires diffère de la première génération essentiellement par le fait d'être un réseau numérique (et non plus analogique) Comme avant, une multitude de standards sont utilisés à niveau mondial GSM (TDMA-based), standard originé en Europe mais utilisé mondialement (estimations 82% des téléphones mobiles) iden (TDMA-based), réseau propriétaire dans les USA et le Canada D-AMPS, (TDMA-based), utilisé aux USA cdmaone, (CDMA-based), utilisé aux USA et dans une partie d'asie PDC (TDMA-based), utilisé exclusivement au Japon Steffenel Master 2 Professionnel STIC-Informatique 11
Le réseau GSM La plupart des réseaux GSM utilise les bandes de 900 MHz ou 1800 MHz. Certains pays (Canada et USA) utilisent les fréquences de 850 MHz et 1900 MHz Les fréquences de 400 et 450 MHz sont rarement utilisées, notamment en Scandinave, car ces fréquences étaient utilisées pour les réseaux 1G La bande des 900 MHz utilise une fréquence ascendante entre 890 915 MHz, et 935 960 MHz pour la descendante. Ces bandes de 25 MHz sont sous-divisées en 124 canaux, espacés de 200 khz. TDMA est utilisé pour permettre 8 canaux de voix par canal de transmission. Steffenel Master 2 Professionnel STIC-Informatique 12
Authentification dans un Réseau GSM GSM inclut quelques systèmes de sécurité contre Utilisation d'une fausse identité Surveillance des communications sur un canal Surveillance du positionnement des dispositifs Un dispositif GSM (Mobile System - MS) est la combinaison d'un terminal (téléphone) et d'un module de sécurité (carte SIM, fourni par l'exploitant du réseau), plus un peu de cryptographie Lorsqu'un appareil se connecte à un réseau, le MS est envoyé au registre HLR (Home Location Register). Le HLR donne une identité temporaire au dispositif pour se connecter au réseau En roamming, le MS est relayé vers le HLR d'origine, qui s'accorde sur la facturation avec le réseau courant pour donner l'identité temporaire Steffenel Master 2 Professionnel STIC-Informatique 13
Les Réseaux 2.5G Alors que le réseaux 2G ont été lancés au début des années 90, la démocratisation de la téléphonie cellulaire a obligé la révision des standards afin de permettre la transmission de données en commutation de paquets et d'augmenter les débits de transmission CDMA 2000 standard américain pour supplanter le système CDMA-One. Permet des débits allant jusqu'à 140 kbits/s GPRS première révision du standard GSM (1997). Associe TDMA, FDMA et une découpe statistique des fréquences (S- ALOHA). Permet des débits allant jusqu'à 80 kbits/s EDGE Évolution du standard GPRS (disponible depuis 2003). Permet des débits jusqu'à 230 kbits/s Steffenel Master 2 Professionnel STIC-Informatique 14
Les Réseaux 3G CDMA-2000 est parfois considéré un réseau 3G, si on regarde uniquement la partie du transfert de données UMTS est l'évolution du GSM pour offrir des services 3G Utilisation de W-CDMA afin d'utiliser tout le spectre de la bande passante Débits pouvant aller jusqu'à 14 Mbits/s (même si les utilisateur obtiennent actuellement pas plus de 3 Mbits/s) W-CDMA (wide CDMA) utilise deux canaux de 5MHz chacun Large spectre, parfois critiqué par certains pays (USA notamment) Migration facilité à partir des réseaux GSM, mais l'obtention des licences pour les fréquences est un procès coûteux Steffenel Master 2 Professionnel STIC-Informatique 15
Le futur? Déjà, des nouvelles extensions du standard UMTS visent des débits encore plus élevés 100 Mbits/s Concurrence avec les WiMAX Évolution des réseaux WiFi Standard IEEE (IEEE 802.16e) Proposent une couverture bien plus élargie qu'un réseau WiFi classique (1-10 km) à 70 Mbits/s Steffenel Master 2 Professionnel STIC-Informatique 16