Architecture

du reseau GSM


Historique

          L'histoire de la téléphonie mobile (numérique) débuta réellement en 1982. En effet, à cette date, le Groupe Spécial Mobile, appelé GSM, est créé par la Conférence Européenne des administrations des Postes et Télécommunications (CEPT) afin d'élaborer les normes de communications mobiles pour l'Europe dans la bande de fréquences des 900MHz déjà réservée depuis 1978 par la Conférence Mondiale des Radiocommunications (WARC).

          Notons que les années 80 avaient déjà vu le développement du numérique tant au niveau de la transmission qu'au niveau du traitement des signaux, avec pour dérivés des techniques de transmission fiables, grâce à un encodage particulier des signaux préalablement à l'envoi dans un canal, et l'obtention de débits de transmission raisonnables pour les signaux.

Ainsi, on a eu chronologiquement :

1985-86 : Accord quadripartite (France, Allemagne, Italie, Grande-Bretagne) pour promouvoir le numérique et l'ouverture en 1991.
1986 : Sous-groupes techniques :
- GSM1 : Services
- GSM2 : Aspects physiques de l'interface radi,
- GSM3 : Signalisation
- GSM4 : Services de données
1 Juillet 1987 : Adoption de la norme radio au GSM.
Août 1987 : Création du MoU (Memorandum of Understanding : protocole d'accord) lie les futurs exploitants GSM sur les principes de développement et d'exploitation du GSM.
1987-88 : Adoption des interfaces réseaux au GSM. Le groupe Spécial Mobile GSM fixe les choix relatifs à l’usage des Télécommunications mobiles à savoir :
          - une transmission numérique
          - un multiplexage Temporel des canaux radio
          - un chiffrement des informations
          - un codage de la parole
Le sigle GSM changea de signification et devient « Global System for Mobile Communications ».
1988 : Transfert de responsabilité de la CEPT à l'ETSI Participation des industriels.
Mars 1990 : "Gel" des spécifications GSM.
1991 : 100 recommandations (plus de 5000 pages) sont éditées en 12 séries.
Juillet 1991 : Première communication MS GSM abonné RTCP.
4 Octobre 1991 : Première communication GSM avec handover. Premiers mobiles GSM d’Alcatel, Motorola et Orbitel.
Décembre 1991 : Premiers réseaux expérimentaux (Paris ; …).
Juillet 1992 : Ouverture commerciale des réseaux (France, Allemagne, ...).


Plan du Cours


I- STRUCTURE DU RESEAU

          L’architecture des réseaux GSM est organisée autour de trois sous systèmes :
o Le sous système radio BSS (Base Station Sub-system)
o Le sous système réseau NSS (Network Sub-system
o Le sous système d’exploitation et maintenance OSS (Operation Sub-System)
          La figure suivante présente une vue synoptique d’un réseau GSM


II- LES SOUS SYSTEMES DU GSM

A- LE SOUS SYSTEME RADIO BSS (Base Station Sub-system)

Le sous système radio est l’ensemble constitué par les stations de bases (BTS), les contrôleurs de stations de base (BSC) et les transcodeurs du réseau GSM.

1- Mobile MS et Station de Base


a) Mobile Station MS
L’ensemble Mobile + carte SIM constitue la station mobile. On en distingue trois types :
- Embarqué : Classe 1 (20 W)
- Portable : Classe 2 (8 W)
- Portatif: Classe 3 (5 W),
Classe 4 (2 W) et
Classe 5 (0.8 W).
Tout mobile est un ensemble de quatre modules à savoir :

- Module radio : il assure l’émission, la réception, la modulation, la démodulation et la synthèse des fréquences.
- Module de Traitement : il contrôle le module radio, assure le traitement du signal, le codage et le décodage des informations, le chiffrement, la protection et la correction des erreurs.
- Module d’Alimentation : il sert d’interface entre la batterie et le circuit d’alimentation électrique du mobile.
- Module d’interface Usager : il est constitué du clavier, écran et du logiciel d’interface Homme-Machine.
L’antenne, interne ou externe assure l’interfaçage physique du mobile avec le réseau.
PRINCIPES DE BASE DU FONCTIONNEMENT DES RESEAUX MOBILE GSM Jean G. AFOKPE Florentin Y. AGOSSOU 8 Les MS sont complexes du fait du nombre élevé de lignes de codes (les MS TACS /AMPS ont 10 000 Lignes de code, les MS GSM 100 000 et les MS 3G 1 000 000 lignes de code).
Leur importance est d’autant grande qu’ils ont 40-50% d’impact sur la qualité de service.
b) Base Transceiver Station (BTS)
Elle permet le dialogue avec le mobile sur l'interface Air (aussi appelée interface Radio ou interface Um). Ses principales fonctions sont :
- Contrôle de la couche physique (couche 1 de l'interface radio) : transmission de la parole et des données, transmission discontinue, ordres de contrôle de puissance et de handover...
- Mesures des interférences sur les canaux non alloués à des communications (idle channels)
- Mesures sur la liaison montante (uplink), servant à l'algorithme de décision du handover
- Calcul du Timing Advance (avance de temps) pour la synchronisation temporelle, selon la distance qui sépare la BTS du mobile
- Détection des demandes d'accès des mobiles reçus sur le canal de contrôle commun (RACH)
- Détection des messages de handover access (HO ACCESS).
La station de base BTS est équipée d’un ensemble d’émetteurs récepteurs TRX qui fonctionnent sur des points de fréquences et assurent la couverture radio électrique d’une zone de couverture appelée cellule. Ils assurent :
- L’Emission/Réception radio (Modulation, démodulation, égalisation entrelacement)
- La gestion de la couche physique (Emission en TDMA, saut de fréquence lent, codage, chiffrement)
- La gestion de la couche liaison (LAPDm).
Le nombre de TRX par cellule est limité à 16.
On distingue deux types de BTS :
• BTS omnidirectionnelles possédant une seule antenne rayonnant de la même manière dans toutes les directions
• BTS sectorielles ayant deux ou trois secteurs (cellules) géré chacun par une antenne ; les antennes sont donc installées de sorte à avoir un écart de 120° par entre deux antennes quelconques. Graphiquement, on représente une cellule par un hexagone car cette forme approche celle d'un cercle. Cependant, en fonction de la nature du terrain et des constructions, les cellules n'ont pas une forme circulaire.
La figure suivante présente les éléments composant une BTS.
PDM=Power Distribution Module
CMM=Control and Maintenance Module
FCU=Fan Control Unit
AEM=Antenna Equipment Module
LMT=Local Maintenance Terminal

2- Le BSC (Base Station Controler)

Le contrôleur de station de base BSC est l’élément central du sous système BSS, il assure :
o L’attribution et la libération des ressources radio ;
o La commande des niveaux de puissance des BTS et des stations mobiles en utilisant les rapports envoyés par les BTS
o Le transport, éventuellement transparent, des communications et des signalisations vers le MSC
o L’exécution du Handover
o La collecte et le traitement des mesures remontées par les BTS.
Un BSC gère quelques dizaines à quelques centaines de BTS mais son dimensionnement s’effectue en fonction du nombre de TRX.
Un élément très important du sous-système BSS est le transcodeur TC ou TRAU (Transcoder Rate Adaptation Unit) ; c’est un équipement qui assure la conversion entre le codage de la parole spécifique au GSM et le codage standard sur le réseau fixe, ainsi que l’adaptation au débit.
Fonctionnellement intégré à la BTS, le TRAU est pourtant souvent installé à proximité du BSC ou du MSC pour des raisons d’économie en liens de transmission. Ceci permet de multiplier jusqu’à quatre connections simultanées sur un canal à 64 kb/s.


II- LES SOUS SYSTEMES DU GSM

B- LE SOUS SYSTEME RESEAU NSS


Le rôle principal de ce sous système est de gérer les communications entre les abonnés et les autres usagers qui peuvent être d’autres abonnés, des usagers sur le réseau RNIS ou des usagers de réseaux téléphoniques fixes. Il est composé des éléments suivants

1- Le MSC (Mobile-service Switching Center) :


Le MSC ou centre de commutation mobile gère l’établissement des communications entre un mobile et un autre MSC, la transmission des messages court et l’exécution du handover lorsqu’il y est impliqué. Il dialogue avec le VLR pour gérer la mobilité des usagers : vérification des caractéristiques des abonnés visiteurs lors d’un appel départ, transfert des informations de localisation,…
Un commutateur fournit aux abonnés trois familles de services qui sont :
o Des services de supports
o Des télé-services
o Des services supplémentaires
Lorsqu’un abonné du réseau fixe (RTCP) désire appeler un abonné GSM, le central du RTCP raccordera l’appel à une passerelle (gateway), un appel entre MS utilise également la fonction.
Ce gateway est souvent réalisé dans un MSC, ce dernier est alors appelé « gateway MSC » (GMSC) et il peut s’agir de n’importe quel MSC du réseau GSM.
Le GMSC doit déterminer la localisation du MS appelé, ce qui se fait en interrogeant le HLR où le MS est enregistrée. Le HLR répond en indiquant l’adresse du MSC où le MS se trouve actuellement, le GMSC peut alors réacheminer l’appel vers le MSC adéquat. Lorsque l’appel arrive au MSC, le VLR saura de façon plus précise l’endroit où le MS appelé se situe et l’appel pourra être établi.

2- Le HLR (Home Location Register)


Le HLR ou enregistreur de localisation nominal est la base de données qui gère les abonnés d’un PLMN donnée. D’une part, il mémorise les caractéristiques de chaque abonné :
o L’identité internationale de l’abonné utilisée par le réseau (IMSI).
o Le numéro d’annuaire de l’abonné (MSISDN).
o Le profil de l’abonnement (services supplémentaires autorisés, autorisation d’appel international,…).
D’autre part, c’est une base de données de localisation. Il mémorise pour chaque abonné le numéro du VLR où il est enregistré, même dans le cas où l’abonné se connecte sur un PLMN étranger. Cette localisation est effectuée à partir des informations émises par le terminal à travers le réseau.
L’implantation du HLR peut être centralisée ou décentralisée. Dans le premier cas, un HLR peut gérer plusieurs centaines de milliers d’abonnés et il constitue une machine spécifique. Dans le deuxième cas, il peut être intégré dans les MSC et les données d’un abonné sont alors stockées sur le MSC où il communique préférentiellement.
Les échanges de signalisation sont ainsi minimisés. Dans tous les cas d’implantation, à chaque abonné est associé un HLR unique, de façon indépendante de la localisation momentanée de cet abonné. Le réseau identifie le HLR à partir du numéro MSISDN ou de l’identité IMSI de l’abonné.

3- Le VLR (Visiteur Location Register)


Le VLR ou enregistreur de localisation visiteur est une base de données dynamique qui mémorise les données d’abonnement des abonnés présents dans une zone géographique. Plusieurs MSC peuvent être reliés au même VLR, mais en général, il y en a un seul par VLR.
Les données mémorisées par le VLR sont similaires aux données du HLR, mais concernent seulement les abonnés mobiles présents dans la zone considérée. Vient se rajouter l’identité temporaire TMSI, le VLR peut avoir une information de localisation plus précise que le HLR.
La séparation matérielle entre le VLR et le MSC proposé par la norme n’est que rarement respectée, certains constructeurs intègrent le VLR dans le MSC.
Les dialogues nécessaires pour l’établissement d’appel sont alors simplifiés. D’autres établissent un découpage différent entre MSC et VLR en utilisant l’approche « réseau intelligent». Le MSC est alors un commutateur pur sans fonction de traitement d’appel. Un équipement, le RCP (Radio Control Point), assure les fonctions de commande du MSC et du VLR sans posséder de fonction de commutation.
Un ensemble de MSC/VLR peut gérer de l’ordre d’une centaine de milliers d’abonnés pour un trafic moyen par abonné de 0.025 Erlang.les MSC sont en général des commutateurs de transit du réseau téléphonique sur lesquels ont été implantés des fonctions spécifiques au réseau GSM.

4- AuC (Authentication Center)


Le centre d’authentification AuC, mémorise pour chaque abonné une clé secrète Ki associée à l’IMSI et utilisée pour authentifier les demandes de service et pour chiffrer les communications. Un AuC est en général associé à chaque HLR, auquel il envoie les triplets d’authentification. L’ensemble peut être intégré dans un même équipement.

5- EIR (Equipement Identity Register)


L’EIR, est une base de données annexe contenant des identités des terminaux (IMEI : International Mobile Equipment Identity). Elle peut être consultée lors des demandes de service d’un abonné pour vérifier que le terminal utilisé est autorisé à fonctionner sur le réseau.
L’identité d’un terminal contient un numéro d’homologation commun à tous les terminaux d’une même série, un numéro identifiant l’usine d’assemblage et un numéro spécifique au terminal. L’EIR peut contenir trois listes :
- Liste blanche de l’ensemble des numéros d’homologation,
- Liste noire des équipements volés et interdit d’accès,
- Liste grise des terminaux présentant des dysfonctionnements insuffisants pour justifier une interdiction totale.
Le réseau peut mémoriser l’identité IMSI d’un abonné utilisant un terminal inscrit en liste noire ou grise et la transférer au système d’administration pour permettre d’identifier les accès frauduleux.

6- Autres entités du NSS


Serveurs : SMS-C : Short Message Service Center assure la gestion des services de messagerie court
MMS-C : Multi Média Message Service Center assure la messagerie multimédia
VMS-C : Voice Message Service Center pour la gestion des services de messagerie vocale
CCBS : Customer Care and Billing System assurant la gestion de l’enregistrement des abonnés post-payés, la gestion des cartes SIM, la facturation,…
IN : Intelligent Network assure la gestion des abonnés pré-payés.


II- LES SOUS SYSTEMES DU GSM

C- LE SOUS SYSTEME D'EXPLOITATION ET DE MAINTENANCE OSS


L’OSS, Operation Sub-System est l’interface de gestion de tout le réseau GSM L’administration de réseau comprend toutes les activités qui permettent de mémoriser et de contrôler les performances et l’utilisation des ressources de façon à offrir un certain niveau de qualité aux usagers. Les différentes fonctions d’administration comprennent :
o L’administration commerciale (déclaration des abonnés, des terminaux, facturations, statistique).
o La gestion de la sécurité (détection d’intrusion, niveau d’habilitation).
o L’exploitation et la gestion des performances (observations du trafic et de la qualité, changement de configuration pour s’adapter à la charge du réseau, surveillance de mobiles de maintenance).
o Le contrôle de la configuration du système (mise à niveau de logiciel, introduction de nouveaux équipements et de nouvelles fonctionnalités).
Le système d’administration du réseau GSM est proche du concept TMN (Télécommunications Management Network) qui a pour objet de rationaliser l’organisation des opérations d’exploitation et de maintenance et de définir les conditions techniques d’une supervision efficace et économique de la qualité de service.

Architecture du TMN

La complexité actuelle d’un réseau nécessite des outils d’administration qui représentent son état et sa configuration sous des formes conviviales- représentation graphique des équipements, histogrammes de charge, etc. l’ensemble des fonctions nécessaires est le « système d’exploitation » (operation system). Ce niveau d’administration globale doit être indépendant des équipements. Il est donc nécessaire d’intégrer des équipements de médiation entre les équipements du réseau (BTS, BSC, MSC,…) et le système d’exploitation. Ceux-ci ont pour objet de présenter sous des formes standardisées les différents éléments du réseau et de dialoguer avec le système d’exploitation par un protocole standard.
L’ensemble formé par les équipements de médiation, le système d’exploitation et les réseaux de transport utilisés forme le réseau d’exploitation des télécommunications, TMN, représenté à la figure suivante.

Présentation de l’OMC et du NMC :


Le NMC permet l’administration générale de l’ensemble du réseau par un contrôle centralisé, alors que les OMC permettent une supervision locale des équipements. Plusieurs OMC vont, par exemple, superviser des ensembles de BSC et de BTS sur différentes zones. D’autres OMC vont superviser les MSC et VLR. Les incidents mineurs sont transmis aux OMC qui les filtrent. Les incidents majeurs vont remonter jusqu’au NMC. Le découpage entre OMC et NMC n’est pas défini pour l’ensemble des fonctions d’administration dans la norme. Le NMC correspond en général au système d’exploitation du TMN. Les différents OMC assurent les fonctions de médiation.
Ainsi l’OMC se subdivise en deux : l’OMC-R et l’OMC-S.
L’OMC-R (OMC-Radio) permet la gestion, la supervision et la maintenance de l’ensemble des BTS et BSC du réseau BSS. Quant à l’OMC-S, il assure les mêmes tâches pour les organes du sous système NSS.


II- LES SOUS SYSTEMES DU GSM

D- PROTOCOLES ET PROCEDURES GSM


1- Les interfaces


Les interfaces sont constituées de l’ensemble des supports physiques et protocoles permettant aux différentes entités du réseau de dialoguer entre eux.
La figure suivante présente les principales interfaces du réseau GSM.

2- Echange de signalisation à travers les interfaces


La figure suivante présente une synthèse de l’échange de signalisation dans les réseaux GSM.

On peut identifier cinq couches au niveau de l’interface Um, comme l’indique la figure ci-dessous :

- La couche1 (Physique) assure la transmission radio il s’agit des canaux RF.
- La couche2 est le LAPD modifié (LAPDm).
- La couche3, elle regroupe trois sous-couches (RR, MM et CM).
Le RR : Radio ressources Management assure la communication entre le MS et le BSS (Allocation de TCH et SDCCH)
Le MM : Mobility Management assure la gestion de la mobilité (localisation, authentification,….)
Le CM : Call Management est encore constitué de trois sous-parties :
o CC : Call Control
o SS : Supplementary Services
o SMS : Shurt Message Service
La figure suivante montre les relations entre les différentes couches.

3- Plan de numérotation


Plusieurs types de numérotation sont utilisés dans les réseaux GSM.
Le MSISDN : Mobile Station ISDN Number, est l’identité du mobile dans le plan de numérotation téléphonique du réseau fixe (RTCP/RNIS) qui est une recommandation E.164 du CCITT. C’est le numéro qui identifie un abonné mobile dans le, seul le HLR contient la table de correspondant entre le MSISDN et IMSI d’un abonné. Le MSISDN ne doit pas dépasser 15 chiffres
Il comporte 3 champs :
- Le champ CC (Country code) : indicatif du pays où est abonné le mobile comme 229 pour le Bénin.
- Le champ NDC (National Destination Code) le numéro du PLMN dans un pays.
- Le champ NS (Sebscriber Number) : le numéro attribué à un abonné.
- L’IMSI : International Mobile Station Identity est une numérotation dans le réseau GSM, recommandation E.212 du CCITT.
MCC : Mobile Contry Code, il est égal à 616 pour le Bénin
MNC : Mobile Netwirk Code, égal à 01 pour le réseau Libercom par exemple
MSIN : Mobile Station Identity Number qui désigne chaque abonné du réseau
NMSI : National Mobile Station Identity.
- Le TMSI : Temporary Mobile Station Identity est une identité temporaire attribuée par le réseau au MS, ceci afin de transmettre la véritable identité du mobile (IMSI) le moins souvent possible pour des raisons de sécurité. Normalement c'est seulement à l'allumage du mobile que l'IMSI est transmise afin de se faire attribuer un TMSI.
- Le MSRN : Mobile Station Roaming Number, est une adresse provisoire attribuée par le VLR au MS lors de l’établissement d’un appel vers la station mobile. Le MSRN a la même structure que le MSISDN.

4- Synoptiques d’appels dans les réseaux GSM


a) Identités utilisées dans un appel

b) Appel sortant
Procédure d’appel

Etablissement de la liaison

Etablissement de la liaison 2

d) Appel international

d1-Appel international sortant

d2) Appel international sortant


e) Recherche d’abonné en roaming

e1) Cas de roaming sans routage optimal

e2)Roaming avec routage optimal