Le fabuleux monde du GSM

Part I - Part II

Cette page est dédiée à tous ceux qui pensent que le téléphone est d’ordre divin. J’espère les ramener sur terre et pourquoi pas susciter certaines vocations.

Une partie est d’accès tout public (de 7 à 77 ans comme le disait un homonyme belge), l’autre, légèrement plus technique, mérite que l’on s’y accroche mais s’adresse plus sérieusement à ceux qui ont des bases soit en électronique (les meilleurs), en hyperfréquences (les seigneurs) et les informaticiens (les looseurs).

Cette connaissance est le résultat d’une compilation de nombreuses sources et du support de

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I.Historique

Au début de notre siècle, le téléphone révolutionna nos moyens de communiquer permettant enfin de dialoguer à longue distance. Malgré des débuts difficiles, le téléphone fixe est devenu au même titre que l'eau courante ou l'électricité un service de base.

En 1956, le premier réseau français de télécommunications mobiles vît le jour sous l'égide de Thomson. Mais la capacité, limitée à quelques centaines d'abonnés le réserve aux seuls ministres et grands patrons.

Il s’agit d’une liaison Radioélectrique entre le terminal (MS : Mobile Station) et le réseau (BS, Base Station). On appelle MS : Tout équipement capable de communiquer par le réseau

Les années 80 voient naître deux nouveaux réseaux nationaux, Radiocom 2000 (système analogique) de FRANCE TELECOM MOBILE et celui d'une société privée SFR (Société Française de Radiotéléphone) filiale deVivendi (ex Compagnie Générale des Eaux).

Les prix étaient alors très élevés malgré la présence de deux opérateurs et donc d'une certaine concurrence. En effet ces réseaux ne pouvaient supporter qu'un petit nombre d'abonnés: France Télécom a même du arrêter la commercialisation de Radiocom 2000 pour cause de saturations.

En 1990, à l'initiative de la Communauté Européenne, le groupe GSM (Global System For Mobile Communication) est créé dans le but d'harmoniser les techniques de télécommunications. C’est la première norme de téléphonie cellulaire qui soit pleinement numérique.

Les normes ETS sont élaborées (European Telecommunication Standards) délivrées par l’ETSI (Institute) basé à Nice (Sophia Antipolis). 2 nous concernent particulièrement :

1. 05.05 (Radio).

2. 11.10 (Spécification de test).

En France, l’ART est chargée du respect des directives de l’ETSI.

Des sociétés privées de Test House (ETS, BABT…) sont elles chargées de qualifier les différents produits pour donner la qualification FTA (Full Type Approval).

Avec les tests complémentaires de CEM et SAR (Rayonnement vers la tête), l’ART donne le feu vert pour l’utilisation du dispositif.

Les abonnés fixes utilisent le RTCP (Réseau Téléphonique Commuté Public) avec le PABX ayant une mobilité locale (intra bâtiment).

Les opérateurs (3 en France) sont des PLMN (Public Land Mobile Network = BS + base de données liées au RTCP) qui ont comme structure :

· Sous-système radio (BS réseau de cellules)

· Sous-système Réseau. Réseau téléphonique spécifique avec commutateurs adaptés (MSC mobile Service Switching Centre), des passerelles avec le RTCP et la base de données).

Il faut des bandes assez importantes or il y a un fort encombrement en fréquences. Au de la de 1GHz, les attributions sont plus généreuses car le spectre est moins encombré.

Les bandes radio sont donc des ressources rares donc il faut découper le spectre alloué pour obtenir des canaux physiques qui supporteront une communication téléphonique. Les bandes retenues sont :

Bandes 450 MHz, 900MHz (GSM), 1800 MHz (DCS), 1900 MHz (PCS, USA).

Avec les progrès de l'informatique et des codages numériques, une nouvelle révolution se profile. La télécommunication mobile allait enfin devenir un service de masse. FRANCE TELECOM MOBILE lance en juillet 1992 le premier réseau GSM en France. Alors que les marchés européens s'emballent, la France ne semble pas touchée par la vague "mobile". Ce n'est qu'une question de temps...

En août 1998, le réseau de FRANCE TELECOM MOBILE tombe en panne victime de son succès. SFR est également confrontée à des problèmes de saturation malgré sa politique d'investissement ambitieuse (plus de 3,5 MdF par an). Aujourd'hui avec plus de 13 millions d'abonnés et l'apparition d'un troisième opérateur (Bouygues Télécom) les Français ont aussi été touchés par la "folie des mobiles".

La société SFR a d'ailleurs engrangé ses premiers bénéfices en 1998: 2 milliards de Francs. Aujourd'hui un téléphone mobile s'achète dans n'importe quelle grande surface. Mais le marché n'est pas pour autant saturé: une croissance moyenne de 500 000 nouveaux abonnés par mois en fait même un marché ultra porteur; les opérateurs étudient même la possibilité d'équiper les enfants de 6 ans.

Ce succès peut s'expliquer grâce à la normalisation européenne qui permet de réduire considérablement le prix des terminaux (de 20 000F pour Radiocom 2000 à 500F aujourd'hui), mais surtout grâce à la baisse du prix des communications.

Ces diminutions sont permises grâce aux nouvelles possibilités offertes par les réseaux GSM. En effet du fait de son infrastructure cellulaire le réseau GSM offre de bonnes possibilités d'extension. La transmission numérique sur l'interface radio permet elle aussi un taux optimal de transfert de données. Enfin la sécurité offerte par ces réseaux étant nettement supérieure aux anciens systèmes ne peut que rassurer l'utilisateur.

La norme suivante sera l’UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) destiné à remplacer le GSM (plus de débit).

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II. Infrastrucure du réseau cellulaire GSM

II.a - Qu'est ce qu'un réseau cellulaire?

Un réseau cellulaire est un réseau de télécommunications mobiles qui doit répondre aux contraintes imposées par la mobilité de l'abonné dans le réseau, par l'étendue du réseau et enfin par les ondes radios qui lui sont allouées.

L'onde radio dans le cas d'un réseau cellulaire est le lien entre l'abonné et l'infrastructure de l'opérateur. Comme dans tout réseau téléphonique l'échange de données doit se faire dans les deux sens. Ainsi contrairement à la radio FM classique, l'installation d'une antenne émettrice puissante par l'opérateur ne suffit pas à réaliser un réseau efficace.

L'abonné doit aussi émettre: Si on appelle Pe la puissance d'émission d'un émetteur et Pr la puissance reçue par un récepteur à une distance d, les lois de la propagation des ondes nous disent que:

Cette contrainte impose donc que l'abonné et l'émetteur du réseau soient à proximité. De plus un opérateur n'a qu'une bande de fréquence réduite (bande passante) qui lui est allouée par l'UIT (Union Internationale des Télécommunications).

Si on part du principe qu'un téléphone = une fréquence, l'ensemble des fréquences pour tout le réseau GSM français permettrait de satisfaire tout au plus un demi millier d'abonnés (capacité théorique du réseau) on en compte plus de treize millions.

Il a donc fallu trouver des astuces pour ouvrir au plus grand nombre ces réseaux. Tout d'abord chaque terminal utilise lors d'une communication une fréquence variable qui lui est attribuée par l'opérateur en fonction des ressources disponibles.

Mais cette seule astuce ne suffirait pas à satisfaire tous les abonnés dans les zones les plus denses. Prenons un exemple: à Bordeaux, il semblerait simple de placer un émetteur dans la tour Pey Berland: sa position stratégique lui permettrait d'avoir un rayonnement important et de couvrir l'ensemble de l'agglomération Girondine!

Seulement il y aurait un problème, comme nous l'avons vu la quantité d'appel est limité: le nombre d'appel simultanément possible sur l'agglomération Bordelaise serait insuffisant pour satisfaire les abonnés. C'est pourquoi on a introduit le concept de cellules.

L'opérateur peut réutiliser une fréquence dans plusieurs endroits géographiques dans la mesure où il n'y a pas de risque d'interférences. Chaque zone couverte par un émetteur est appelé cellule.

: Couverture du territoire par des cellules afin d’économiser le spectre hertzien. Ainsi, 2 cellules suffisamment éloignés peuvent utiliser la même fréquence.

De plus, avoir une qualité suffisante nécessite une puissance importante des émetteurs.

Les systèmes satellites peuvent couvrir une grande zone mais avec peu d’utilisateurs. Le système sans cordon est de même à gérer des concentrations de trafic très locales (HotSpot).

Le système cellulaire est un Mix des 2.

En zones urbaines, l’opérateur utilise des Microcellules (Quelques centaines de mètre de rayon à cause du grand nombre d’utilisateur que doit gérer la BS. De part l’amortissement en fréquence (F^-2), DCS (Digital Cellular System) est le mieux adapté.

En zones rurales, on privilégie les Macrocellules (30 Km) donc GSM.

Leur taille est variable de 200 mètres à 20 kilomètres pour les plus grandes. Deux cellules mitoyennes ne peuvent utiliser deux fréquences similaires à cause des interférences. L'opérateur gère ainsi la bande passante qui lui a été alloué par l'état de cellule en cellule.

Plus la taille d'une cellule est petite, plus la quantité d'appels passées sur le réseau pour une surface donnée est grande. On modélise les cellules par des hexagones, ce qui permet de bien visualiser les contacts avec les cellules voisines et donc de limiter les risques d'interférences.

Si chaque cellule peut accepter 40 communications en simultané (ce qui équivaut à environ 1000 abonnés), 300 cellules permettent de gérer un parc de 200 000 abonnés.

La présence d'un grand nombre de cellules liées à la mobilité de l'utilisateur implique une des fonctionnalités les plus révolutionnaires du GSM: le "Handover": c'est à dire la capacité pour un terminal de changer de cellule et donc de relais de manière tout à fait transparente (sans coupure de la communication). Le BIBOP ne gérait pas le Handover.

De plus, le réseau GSM est normalisé au niveau européen, ce qui permet à un abonné de téléphoner hors de son pays (on les appelle "Roamers"). Les accords entre les opérateurs de pays différents permettent d'offrir un service mondial sans changer ni son abonnement, ni son terminal.

Par exemple SFR propose de téléphoner dans plus de 67 pays grâce à l'option "transcontinent".

Un réseau de radiotéléphonie peut se découper en trois sous-ensembles:

Le sous-système radio (BSS) qui assure les transmissions et gère la ressource radio,

Le sous-système réseau (NSS) qui comprend l'ensemble des fonctions nécessaires à l'établissement des appels et à la mobilité,

Le sous-système d'exploitation (OMC) et de maintenance qui permet à l'opérateur d'administrer son réseau. On ne détaillera pas cette partie qui est propre à chaque opérateur et qui relève plus du service que de la technique.

II.b – Architecture en couches du sous-système radio

On 3 couches :

1. La couche physique : Codage correcteur d’erreur, Multiplexage des canaux logiques, mesures radio à effectuer.

2. Couche liaison de données : LAPDm (mobile)

3. Les aspects purement radio intégré à la sous couche Radio Ressource (RR). Elle gère l’établissement, la maintenance et la libération des différents canaux logiques. Au sein de la MS, elle a pour rôle de sélectionner les cellules et de surveiller la voie balise (gérée par la BSC sauf l’ordre d’activation du TRX géré par la BTS).

II.c - BSS :

Le sous-système radio est l'ensemble des constituants du réseau qui gère l'échange et la transmission des données par la voie hertzienne.

BS = BTS (Base transceiver Data) + BSC (Base Station Controler).

Le sous-système radio est principalement constitué de deux éléments: la station de base et le contrôleur de station. La BS (Base Station) est composé de :

II.c.1 - BTS (Base transceiver Data)

La BTS est un ensemble d'émetteurs-récepteurs. Elle gère les problèmes liés à la transmission radio (modulation, démodulation, égalisation, codage correcteur d'erreur…). Le placement et le type des BTS déterminent la forme des cellules. Elle réalise aussi des mesures radio pour vérifier qu'une communication en cours se déroule correctement (évaluation de la distance et de la puissance du signal émis par le terminal de l'abonné): Ces mesures sont directement transmises à la BSC (Base Station Controler).

Une BTS peut être composée de 16 TRX (1 TRX par porteuse), soit un maximum de 16 porteuses (128 communications simultanés). En général, 4 TRX par BTS. (Emetteur / récepteur).

Le nombre de communications simultanés que peut écouler une BS est limité pour des questions matérielles, et surtout à cause du nombre de fréquences disponibles.

La répartition géographique et le type de BTS utilisées jouent un rôle primordial pour évaluer la qualité d'un réseau. La capacité maximale d'une BTS est de 16 porteuses, c'est à dire qu'elle peut supporter au plus une centaine de communications simultanées.

Une configuration en zone urbaine est constituée d'une BTS à 4 porteuses pouvant écouler environ 28 communications. Comme nous l'avons vu plus haut la bande passante allouée à un opérateur est limitée. C'est pourquoi il doit réduire au minimum la puissance de ses BTS en ville de manière à ce qu'elles couvrent une zone la plus restreinte possible. Mais cela entraîne évidemment une multiplication importante des coûts: une BTS coûte en moyenne 2 000 000 F!

Ainsi, la rue Sainte Catherine à Bordeaux, très fréquentée, doit faire l'objet d'une couverture d'une densité exceptionnelle (une BTS couvre 250m de la rue). En revanche des zones peu peuplées telles que la Lozère auront des BTS couvrant une zone d'un rayon de 20kms (si BTS il y a, car ce ne sont pas des zones rentables pour un opérateur). La couverture doit aussi prévoir les migrations saisonnières: prenons l'exemple de Val d'Isère.

Entre la période creuse du mois de novembre où seuls les habitants permanents utilisent le réseau, et la période chargée du mois de février où s'ajoutent les saisonniers et les vacanciers le trafic est multiplié par 20!

Il faut donc installer un réseau supportant la charge maximale. Dans le cas de Val d'Isère le problème se complique à cause des roamers. L'opérateur d'un site doit donc prendre en compte de multiples facteurs considérant prioritairement la qualité du service pour effectuer la couverture d'un site.

En décembre 97, 85% des communications transmises depuis les BTS de Val d'Isère du réseau SFR, ont été passés par des abonnés issus d'un réseau étranger. Ce phénomène est essentiellement du au Critérium de la première neige (course de ski internationale importante).

Le problème se complique particulièrement lors de grands événements en particulier sportifs: le début de l'été dernier a été sans doute la période la plus difficile que les opérateurs de téléphone mobile aient connu en France. La Coupe du monde de football a drainé une très grande quantité de touristes, de journalistes, de sportifs utilisant abondamment les réseaux GSM. Lors des matches, l'ensemble des BTS couvrant les stades était saturé, les BTS des grandes villes Françaises et en particulier de Paris étaient constamment surchargées malgré les importants investissements consentis par les opérateurs pour cet évènement! Une règle d'or dans le domaine GSM: les prévisions sont toujours sous-estimées.

De plus la croissance des réseaux en terme d'abonnés (au premier trimestre 1999, il y a eu 1,3 million d'abonnés supplémentaires en France tous opérateurs confondus) impose une continuelle remise à niveau des BTS. La plupart du temps, les opérateurs choisissent d'augmenter la densité les BTS en réduisant leur portée: ce choix impose le redéploiement du réseau déjà existant.

La variation du trafic au cours de la journée complique encore les études d'implantation des BTS. Le nombre d'abonnés qu'un opérateur peut supporter dépend du nombre de BTS. Mais, si un abonné est à proximité d'une BTS sans utiliser son téléphone, il n'utilise pas la bande passante de la BTS: le problème est de savoir combien d'abonnés une BTS peut avoir à proximité en offrant toujours la possibilité d'entamer une conversation.

On introduit alors la notion d'erlang: l'unité de trafic appelée erlang correspond à 1 heure de communication. Par exemple, si un abonné a passé 3 communications d'une durée moyenne de 2 minutes pendant l'heure chargée, l'intensité du trafic généré par l'abonné sur une BTS est de:

Dans le cas des réseaux GSM, le trafic moyen par abonné est d'environ 0,025 erlangs.

Les modèles d'erlang cherchent à être représentatifs des appels qu'une BTS subit tout au long d'une journée. Mais plus la recherche est poussée loin, plus les modèles sont complexes et leur maniement difficiles. En admettant que lorsqu'une BTS est saturée, l'appel est rejeté, en supposant que les tentatives d'appels arrivent suivant une loi de Poisson sur la BTS, on peut évaluer la quantité d'abonnés qu'une BTS peut supporter de la manière suivante:

Soit l le taux moyen des demandes de services (le plus souvent des appels)

Soit m le taux moyen d'activité d'un des S canaux de la BTS

Soit A = l/m le trafic théorique offert (A est en erlang)

La probabilité de l'état saturé et donc de rejet sera donc:

Cette formule nous montre donc que la probabilité de rejet n'est pas une fonction linéaire du nombre de canaux de communications disponibles. L'étude préalable et la détermination de l et m pour un site donné permet donc de déterminer le nombre de canaux nécessaires pour une BTS. Plus Pr est petit, meilleure sera la performance du réseau et donc la satisfaction du client.

Il existe différents types de BTS proposés pour répondre aux différents besoins étudiés ci-dessus. Le réseau SFR en compte plus de 6 000 en France. Ces stations sont conçues par différents constructeurs qui respectent strictement la norme GSM de manière à ce que le matériel de différents constructeurs puisse être compatible. Les BTS sont de puissance variable de manière à éviter les interférences entre deux cellules: comme nous le verrons, il est important de réguler la puissance du portable de manière à éviter ces mêmes interférences.

II.c.1.a - Les BTS rayonnantes

Elles sont idéales pour couvrir les sites où la densité d'abonnés est faible. Elles sont situées sur des points stratégiques (sommets, pylônes…). Ces stations émettent dans toutes les directions: ce sont les stations les plus visibles. Elles couvrent des macrocellules. On en trouve en abondance au bord des autoroutes. Ces BTS ne peuvent pas être utilisées dans les zones de forte densité car elles émettent et occupent la bande passante du réseau sur une grande distance (jusqu'à 20 kms).

II.c.1.b - Les BTS ciblées

Elles sont le plus souvent placées dans des zones à plus forte densité d'abonnés que les BTS rayonnantes. On les retrouve en ville par exemple. Elles sont de forme relativement allongée et permettent d'émettre suivant un angle très précis: on peut grâce à cela réutiliser facilement le même canal dans une autre cellule à proximité. BTS ciblée sur la tour Cegetel à Mérignac (Gironde, France)

II.c.1.d - Les micro BTS

Elles couvrent des zones très restreintes et sont très utilisées dans les sites où la densité d'abonnés est importante: ce sont les microcellules. On retrouve ce type de couverture dans la rue Judaïque à Bordeaux. Leur grande discrétion permet de les installer dans les périmètres autour des centres villes. Une bonne étude d'implantation permet avec ce type de BTS de créer une couverture à deux niveaux: sur un premier niveau, les micro-BTS couvrent les 3 premiers mètres grâce à des émetteurs très ciblés. Un second niveau (étage plus élevé des immeubles) sera couvert par des BTS ciblées.

Micro BTS (rue St Rémi à Bordeaux, Gironde, France)

II.c.1.d - Les amplificateurs de signal

Ce ne sont pas des BTS proprement dites mais ils permettent de couvrir une autre cellule comme le ferait une véritable BTS. Les amplificateurs de signal captent le signal émis par les BTS, l'amplifient et le ré émettent d'un autre site. Ils permettent de couvrir une cellule à moindre coût. De plus, ces amplificateurs ne nécessitent aucune connexion vers les BSC, ils peuvent donc être placés sans contraintes physiques (sommet isolé de tous réseaux électriques et télécoms). Idéals pour couvrir les zones à faible densité ou à relief difficile, ils sont néanmoins très gourmands en ressource réseau, car la BTS mère doit gérer tout le trafic des réémetteurs.

II.c.2 - BSC (Contrôleur de base)

Le contrôleur de base (BSC) est l'organe intelligent du sous système radio. Il a pour fonction de gérer la ressource radio.

Il commande l'allocation des canaux, utilise les mesures effectuées par la BTS pour contrôler les puissances d'émission du mobile: cette dernière est fonction de la distance mobile émetteur de telle manière que la liaison soit toujours de bonne qualité.

En ville, si un portable émet à pleine puissance (2W), il perturbe toutes les cellules aux alentours. La MSC par le biais de la BTS envoie l'ordre de baisser ou d'augmenter la puissance d'émission.

Il gère et prend la décision de l'exécution du handover. De plus c'est un commutateur qui réalise une concentration vers le MSC.

Initialement, les différents constructeurs d'infrastructures réseaux n'ont pas eu la même approche concernant la BSC.

Certains ont conçu des BSC de faible capacité estimant préférable de multiplier leur nombre pour minimiser les distances BTS-MSC et donc réduire les coûts d'exploitation des opérateurs.

En effet ces liaisons s'effectuent la plupart du temps par le réseau téléphonique classique, les opérateurs sont obligés de louer à l'opérateur national ces capillaires.

Ainsi SFR fait transiter ces communications par le réseau de France Télécom et doit donc reverser à cette entreprise une partie de son chiffre d'affaire.

D'autres ont une autre approche convenant aux zones urbaines où la forte densité par unité de surface nécessite des BSC capable d'écouler un trafic plus important. La couverture de Lyon nécessite 4 BSC d'un coût moyen de 5 000 000 Fr. On en retrouve environ 500 en France pour la couverture du réseau SFR.

Plusieurs dispositions entre BTS et BSC sont possibles: chaînée, en étoile…

Différentes configurations de BTS-BSC; on retrouve sur ce schéma les interfaces réseaux.

II.d - La carte SIM

On sépare l’abonnement du terminal utilisé donc ceux ci ne possèdent aucune configuration si on ne leur adjoint pas la carte SIM. On peut changer de MS sans changer la SIM, donc opération transparente pour le réseau.

La carte SIM (Subscriber Identity Module) contient l’identité internationale de l’abonné (IMSI International Mobile Subscriber Identity). C’est sa carte à puce personnelle qui banalise les terminaux (MS).

Le numéro d’abonné (MSIDSN Mobile Station ISDN Number)) est différent de l’identité (IMSI). La base de données fait le lien.

Cela permet à l’opérateur une plus grande souplesse quand à la gestion de l’abonnement.

IMFI = Identification Equipment

II.e - Sous-système réseau Base de données

Le sous-système réseau comprend un centre de commutation des services mobiles (MSC) qui relie par des lignes spécialisées tous les éléments du système au réseau téléphonique public commuté et au réseau numérique à intégration de services (RNIS).

Le Registre de localisation nominal (HLR) et le Registre de localisation des visiteurs (VLR) sont des bases de données où sont stockées les informations relatives aux abonnés mobiles.

Le Centre d'authentification (AuC) détient des copies des clés secrètes des abonnés, tandis que les numéros de série des terminaux mobiles sont stockés dans le Registre d’identification des équipements (EIR).

L'exploitation, la gestion et la maintenance de tous les éléments du réseau sont assurées par le Centre d'exploitation et de maintenance (OSC).

L'EIR est une  base de données qui contient les informations relatives aux équipements mobiles et a pour but d'empêcher l'utilisation frauduleuse d'appareils mobiles non reconnus par le réseau.

Chaque mobile possède son propre numéro d'identification (IMEI) et dont la validité peut être vérifiée dans des listes de stations mobiles autorisées par le réseau. Si l'appareil identifié n'y figure pas, ou si l'EIR constate qu'il a été volé, qu'il n'est pas agréé ou comporte un défaut qui pourrait gêner le réseau, le mobile se verra refuser l'accès.

Les bases de données sont les éléments qui gèrent les données propres aux abonnés (caractéristiques, facturation des appels, messagerie, sécurité…). Elles ont une fonction clef et sont la partie la plus sensible et donc la mieux protégée du réseau.

II.e.1 - Le HLR

Le HLR ou enregistreur de localisation nominal est la base de données qui gère les abonnés d'un opérateur donné. Il mémorise les caractéristiques suivantes:

q l'identité internationale de l'abonné utilisée par le réseau (IMSI): on peut obtenir ce numéro en composant sur le clavier d'un portable *#06#,

q le numéro d'annuaire de l'abonné (MSISDN ou numéro d'appel),

q le profil de l'abonnement (services supplémentaires autorisés, autorisation d'appel international…).

Ces données sont saisies par l'opérateur à partir de son système d'administration. Elles varient peu dans le temps.

D'autre part, le HLR 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 opérateur étranger (cas des roamers). Cette localisation est effectuée à partir des informations émises par le terminal et reçue par les BTS 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 physiquement stockées sur le MSC où l'utilisateur 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 d'appel.

II.e.2 - Le AuC

Le centre d'authentification AuC, Authentication Centre, mémorise pour chaque abonné une clé secrète utilisée pour authentifier les demandes de services et pour chiffrer les communications.

Un AuC est en général associé à chaque HLR. L'ensemble peut être intégré dans un même équipement.

Cependant, du point de vue fonctionnel, ils ne font pas partie du même sous-système.

II.e.3 - Commutateur de services mobiles (MSC-VLR)

Le MSC, Mobile Services Switching Centre, est parfois appelé centre de commutation des mobiles ou commutateur du service mobile.

Il gère l'établissement des communications entre un mobile et un autre MSC, la transmission des messages courts (message (SMS) sous forme de texte) et l'exécution d'un handover entre deux BSC différentes.

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...

D'un coût moyen de 30 millions de francs, leur nombre est beaucoup moins important que les BSC, on en compte une trentaine pour le réseau SFR en France.

On distingue deux types d'appels au niveau d'un MSC:

q Mobile ↔ Mobile: dans ce cas, la MSC établit une liaison avec une autre MSC.

q Mobile ↔ Réseau fixe RTC: Il doit alors posséder une fonction passerelle, GMSC (Gateway MSC), qui est activée au début de chaque appel d'un abonné mobile vers un abonné fixe. Cette fonction est différente de la fonction MSC pure, elle pourrait être implantée dans les commutateurs du RTC (réseau classique filiaire, en France, celui de France Télécom). En réalité, elle est réalisée par les MSC pour minimiser l'impact sur le RTC. En effet lorsqu'un mobile se déplace et change de MSC, la communication doit elle aussi changer de MSC. Le réseau fixe n'a pas été conçu pour ce genre de tâche: dans ce cas l'interconnexion continue avec l'ancien MSC qui établit lui même une communication vers la nouvelle MSC dont dépend le mobile.

Le MSC est en général couplé avec le VLR (Visitor Location Register), ou enregistreur de localisation visiteur C'est une base de données qui mémorise les informaions aux abonnés présents dans la zone géographique du MSC.

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 a une information de localisation plus précise que le HLR. La séparation matérielle entre VLR et MSC proposée 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 MSC/VLR peut gérer plusieurs dizaines 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 implantées des fonctions spécifiques au réseau GSM.

La capacité en est fortement réduite, puisqu'un central téléphonique peut gérer plusieurs centaines de milliers d'abonnés.

En effet à l'établissement des communications s'ajoutent les fonctions de répondeur, de connexion à des réseaux numériques (Internet, messagerie électronique), de contrôle des messages courts SMS…

II.f - Interface Réseau

Les interfaces sont des protocoles permettant de communiquer entre chaque structure du réseau GSM. Elles sont un élément essentiel définit dans la norme GSM car ce sont ces interfaces qui déterminent les interconnexions réseaux au niveau international.

Voici le tableau présentant les interfaces dans un système GSM:

Nom	Localisation	Utilisation
Um	Terminal - BTS	Interface radio
Abis	BTS - BSC	Divers (transfert des communications…)
A	BSC - MSC	Divers (transfert de données)
B	MSC - VLR	Divers (transfert de données)
C	GMSC - HLR	Interrogation HLR pour appel entrant
D (1)	VLR - HLR	Gestion des informations d'abonnés et de localisation
D (2)	VLR - HLR	Services supplémentaires
E	MSC - MSC	Exécution des "handover"
F	MSC - VLR	Vérification de l'identité du terminal
G	VLR - VLR	Gestion des informations d'abonnés
H	HLR - AuC	Echange des données d'authentification

L'interface à respecter de façon impérative est l'interface D car elle permet à un MSC/VLR de dialoguer avec le HLR de tout autre réseau étranger. Sa conformité permet l'itinérance internationale. De même le respect de l'interface A permet aux opérateurs d'avoir différents fournisseurs et de pouvoir changer au fur et à mesure du déploiement de leurs réseaux. En revanche, l'interface B est rarement normalisée car comme nous l'avons vu VLR et HLR sont souvent confondus.

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III Transmission sur l'interface radio

L’interface radio est une des parties les plus sophistiquées du système; nous allons présenter les caractéristiques de base de cette interface (méthode d’accès et technique de transmission) et de montrer les différents traitements que subit le signal utilisateur lors d’une communication.

Partage des ressources radio   Un système radio-mobile a besoin d’une partie du spectre radio pour fonctionner. Les concepteurs doivent donc demander une bande de fréquence auprès de l’instance officielle chargée de la gestion du spectre. Pour un système à prétention internationale, la bande est allouée au niveau de l’UIT (Union Internationale des Télécommunications).

La bande dédiée au système GSM est de 890 à 915 MHz pour la voie montante et de 935 à 960 MHz pour la voie descendante soit 2×25 MHz (respectivement 880-915 et 925-960 pour E-GSM (Extended)); les bandes de fréquence allouées à son extension DCS sont de 1710 à 1785 MHz pour la voie montante et de 1805 à 1880 MHz pour la voie descendante soit 2×75 MHz.

La bande radio représentant une ressource rare, les défendeurs de la norme doivent l’utiliser à bon escient et avec parcimonie. Le premier choix architectural a donc été de découper le spectre alloué pour obtenir des canaux physiques qui supporteront une communication téléphonique. Il existe 4 techniques :

III.a - Partage en fréquence (FDMA Frequency Division Multiple Access)

Chacune des bandes dédiées au système GSM est divisée en 124 canaux fréquentiels d'une largeur de 200 kHz. (174 pour E-GSM et 374 pour DCS)

Sur une bande de fréquence sont émis des signaux modulés autour d’une fréquence porteuse qui siège au centre de la bande.

Les fréquences sont allouées d’une manière fixe aux différentes BTS et sont désignées souvent par le terme de "porteuses", avec une affectation type ARFC (Absolute Radio Frequency Channel).

Exemple ARFC GSM Voie Montante :

890 891 892 893 894 895 896 897 898 899 900 901 902 903 904

| . . . . |. . . . | . . . . |. . . . | . . . . |. . . . | . . . . |. . . . | . . . . |. . . . | . . . . |. . . . | . . . . | . . . . |

1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

904 905 906 907 908 909 910 911 912 913 914 915 Fréquence (MHz)

| . . . . |. . . . | . . . . |. . . . | . . . . |. . . . | . . . . |. . . . | . . . . |. . . . | . . . . |

71 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 124 ARFC

De plus, il faut veiller à ce que deux BTS voisines n’utilisent pas des porteuses identiques ou proches. Sur 2 BTS proches, on leur affecte des porteuse (de 2 à 4) suffisamment éloignées pour éviter tout type d’interférence.

III.b - Partage en temps (TDMA – Time Division Multiple Access) )

Chaque porteuse est divisée en intervalles de temps appelés slots. La durée élémentaire d’un slot a été fixée pour la norme GSM sur une horloge à 13 MHz et vaut:

T_slot = (75/130)×10-3s soit environ 0.5769 ms.

Un slot accueille un élément de signal radioélectrique appelé burst (durée de 570 µs soit 156 bits max).

L’accès TDMA permet à différents utilisateurs de partager une bande de fréquence donnée. Sur une même porteuse, les slots sont regroupés par paquets de 8. La durée d’une trame TDMA est donc:

T_TDMA = 8×T_slot =4.6152 ms.

Chaque usager utilise un slot par trame TDMA. Les slots sont numérotés par un indice TN qui varie de 0 à 7.

Un “ canal physique ” est donc constitué par la répétition périodique d’un slot dans la trame TDMA sur une fréquence particulière.

Les concepteurs de GSM ont prévus la possibilité de n’allouer à un utilisateur qu’un slot toutes les 2 trames TDMA. Cette allocation constitue un canal physique demi-débit par opposition au canal plein débit défini précédemment.

III.c - Implantation du saut de fréquence

L’option du saut de fréquence lent (SFH) semble être intéressante pour augmenter la capacité du système GSM.

Le saut de fréquence permet de lutter contre les évanouissements sélectifs, c’est-à-dire une diminution momentanée de la puissance de l’onde radioélectrique lors de la réception, grâce à la diversité en fréquences.

Habituellement le saut est activé lorsque la charge du réseau devient importante, il doit alors apporter un accroissement notable des performances.

Lorsque le saut de fréquence lent est activé, un canal physique ne siège pas sur une seule fréquence mais utilise un ensemble de porteuses.

III.d - Séparation des bandes

Ecart Duplex. Duplexage en fréquence. 2 sous bandes d’égales importances séparé par un interval fréquentiel qui n’est pas attribué au système. Rx ó Tx (1 montant ó 1 descendant). Un mobile émet et reçoit à des instants différents. Au niveau du mobile, l’émission et la réception est décalé de 3 slots (5,1921 ms).

Dans le système GSM le duplexage se fait en fréquence. La bande totale allouée au système est divisée en deux sous-bandes d’égale importance; l’intervalle fréquentiel qui les sépare n’est pas attribué au système. Ce partage entre les bandes montantes (mobile vers réseau) et les bandes descendantes (réseau vers mobile) facilite le filtrage et la séparation des voies.

Dans GSM l’écart duplex vaut DW_duplex=45 MHz, et dans le cas de DCS1800 il vaut DW_duplex=95MHz.

III.c - Canal physique duplex

Un canal simplex se rapporte à un slot par trame TDMA sur une porteuse (en l’absence de saut de fréquence). Un canal physique duplex correspond à deux canaux simplex. Si la porteuse supportant la voie descendante est f_d , la voie montante est sur la fréquence f_u:

f_u = f_d - DW_duplex

Un canal physique correspond à la ressource radio qu’il faut utiliser pour supporter une communication téléphonique. Dans le système GSM un mobile émet et reçoit à des instants différents.

Au niveau du mobile, l’émission et la réception sont décalées dans le temps d’une durée de trois slots, mais pour conserver la même numérotation Tn de 0 à 7 de slots, la synchronisation de la trame TDMA montante est aussi décalée de 3×T_slot.

Ce décalage permet de simplifier le filtre duplex présent dans chaque mobile. Son rôle se réduit à rejeter le signal provenant d’une éventuelle autre BTS émettant pendant une phase de réception du mobile.

III.d - Format du burst

Le format d’un burst normal est donné par cette figure , c’est le type le plus couramment utilisé, il permet de transmettre 114 bits. On remarque qu’il y a une période de garde de 30.5 µs correspondant à la différence de durée entre un burst et un slot, ce délai sert à compenser les temps de transmission entre le mobile et la station de base.

Le RAMPING permet de mesurer le temps de montée et de descente du burst. Le burst est en temps un peu plus court que les slot (30µs) à cause de du Guard Time (cas le plus défavorable).

La séquence d’apprentissage est lié au BSIC (code couleur). La séquence de bit est transmis sou le format NRZ.

3

DATA

SF

BSIC

SF

DATA

3

57 Bits 1 6 1 57

SF : 1 Paquet TCH 0 Paquet FACCH

III.e - Time Advance (TA)

Suivant l’éloignement, il faut envoyer le burst de telle manière à ce qu’il arrive pile poil au BTS (sur le bon slot). Donc la BTS calcule TA qui va permettre d’avancer l’envoi du BURST de telle manière à ce qu’il arrive bien malgré la distance parcourue.

Le Guard Time est émis à la suite du Burst (blanking de 30µs)

III.f - Puissance :

On la mesure dans le sens TX., exprimé en dBm = 10 log(P/1mW).

La norme définit les terminaux sur plusieurs classes (PCL – Power Control Level) suivant leur puissance maximale d’émission. Pour GSM900, la majorité des terminaux sont de classe 5 d’une puissance de 2 W (33 dBm). Les postes montés dans les véhicules sont de classe 2 soit 8W. Pour le DCS 1800, les MS sont de classe 0 (30 dbm).

Le niveau minimal d’émission est de 3 mW (5dbm) pour le GSM et 1mw (0 dbm) pour le DCS.

Classe (PCL)	GSM (dbm)	DCS(dbm)
0	-	30
1	-	28
2	-	26
3	-	24
4	-	22
5	33	20
6	31	18
7	29	16
8	27	14
9	25	12
10	23	10
11	21	8
12	19	6
13	17	2
14	15	0
15	13	-
16	11	-
17	9	-
18	7	-
19	5	-

On adapte la puissance suivant l’éloignement MS et TRX.

III.g - Sensibilité

La sensibilité est le niveau de puissance en réception où la qualité devient insuffisante.Pour GSM elle est fixée à –102dbm, DCS –100 dbm et pour les autres systèmes à –104 dbm. Pour les produits Wavecom, la sensibilité est plutôt proche de –106 dbm. Pour une bonne qualité de réception, dans la plage [-48 dbm ; -110 dbm], il est nécessaire d’être linéaire.

Les test sont réalisés en interne pour évaluer la performance du système et dépend très fortement du signal sur bruit.

Elle détermine la qualité de la transmission (TEB – Taux d’erreur binaire).

Les paramètres mesurés par le mobile sont RxLev (Rx level, niveau du signal reçu), et RxQual (Qualité du signal reçu). Ces paramètres sont rapportés par le mobile au BSC via le canal SACCH. Ils sont utilisés par la procédure de contrôle de puissance.

Les performances s’expriment en fonction de plusieurs paramètres :

Le taux d’effacement de trame (FER – Frame Erasure Rate). Une trame effacée correspond à une trame détectée en erreur, grâce à une vérification de parité par CRC et rejetée par une couche physique.

Le taux d’erreurs par bits (BER, Bit Error Rate).

III.g.1 - RxLev

Le niveau de signal reçu est mesuré par RxLev sur 64 niveaux(6bits) :

°0 => -110 dbm

63 => -48 dbm

La linéarité est importante et ce paramètre intervient dans les algorithmes de puissance. On mesure ce paramètre sur 100 trames TDMA soit environ ½ seconde.

III.g.2 – RxQual

Qualité du signal sur 8 niveaux (3bits). On quantifie le taux d’erreurs binaires BER qui est calculé sur ½ seconde environ.

Niveau
3	08% <BER <1.6%
4	1.6% <BER <3.2%

En pratique, on regarde le R-BER (Residual), qui concerne les trames non effacées. Le taux acceptable est 2.44% (à –102 dbm) sur les erreurs de classe II (qui sont les moins sensibles à celles-ci).

III.h - Codage de la parole

La chaîne de transmission qui correspond à la transmission du signal de la parole est décrite par la figure suivante:

D’après la théorie des télécommunications, la transmission d’une source d’information sur un canal doit mettre en œuvre un codage de source (compressif) et un codage de canal (protecteur) efficaces. Les techniques cryptographiques permettent d’assurer un service de confidentialité sur un canal de transmission diffusant où des écoutes indiscrètes peuvent être entreprises.

On peut présenter d’une façon synoptique les différents traitements que subit une trame de 20 ms de parole :

Chaque intervalle ainsi numérisé, est comprimé (par le codec de parole), protégé pour aboutir à une trame codée, appelée bloc, de 456 bits.

Le codage s’effectue paquet par paquet et cette paquetisation introduit un délai de 20 ms. En effet pour traiter un morceau de 20 ms il faut l’avoir reçu complètement.

III.h.1 - Numérisation

Le signal analogique de parole, dans le cas du signal téléphonique ordinaire, peut être vu comme une fonction du temps x (t) avec un spectre limité à la bande [300 Hz , 3400 Hz].

Il est découpé en intervalles jointifs de durée 20 ms. La trame analogique est d’abord échantillonnée à 8kHz sur 13 bits, soit 160 échantillon (8000*0.02), ce qui donne 260 bits (13000/50).

III.h.2 – Compression

Après un pré-traitement (pré-amphasis filter), le signal est analysé pour en extraire les coefficients du filtre LPC. Le signal résiduel est ensuite séparé en quatre trames de 40 échantillons pour subir l’analyse LTP (reproduit notamment les fréquences fondamentales de la voix (60-200 Hz), caractéristiques du locuteur et utile de transmettre fréquemment.

La dernière phase du codage de parole consiste à déterminer le signal d’excitation qui mis à l’entrée du filtre linéaire global (LPC+LTP) reproduira le mieux le signal de parole.

III.h.3 - Protection du signal Numérisé (Codec)

Les 260 bits issus du codec de parole représentant 20ms n’ont pas tous la même importance. Les erreurs qui surviennent sur le canal peuvent perturber plus ou moins la qualité de la parole suivant les paramètres qu’ils représentent et la sensibilité des bits aux erreurs (poids fort/faible).

Ces 260 bits ont été classés en 2 temps :

Un premier tri les a répartis sur 6 groupes d’importance décroissante noté de 1 à6 :

Seuls les bits de poids fort du paramètre Block Amplitude sont jugés sensible (1 et3), les bits de poids faibles plus accessoires (4,5,6).

Ce qui est important dans le signal d’excitation est son amplitude, plutôt que ses caractéristiques détaillés.

En gros on souhaite une reconstitution grossière de la parole, le signal d’excitation est assimilé à un bruit et que les autres paramètres importants qui garantissent l’intelligibilité de la parole sont ceux spécifiant le filtrage linéaire (LPC d’abord, LTP ensuite).

Dans un deuxième temps, le classement définitif ne comporte que 3 niveaux. On détermine 2 classes (dont 1 double) en fonction de leur sensibilité aux erreurs et du degré de protection effectivement appliqué.

Classe Ia	50 bits (1,2,3)	Très sensible aux erreurs, et en particulier aux erreurs non détectées ; Ils ne doivent pas être mal interprétés, une technique de masquage est mise en œuvre quand une erreur non corrigible est détectée.
Classe Ib	132 bits (4,5)	Sensible aux erreurs
Classe II	78 bits (6)	Le moins sensible donc le plus significatif de la qualité de la liaison

Soit 260bits.

III.h.4 - Transmission

Une fois obtenu le bloc de parole numérisé, comprimé et protégé, il faut le transmettre. Pour cela on a recours à l’entrelacement.

On peut prendre l’exemple des 456 bits de la trame codée de la parole : ces bits sont brassés et divisés en « I »  groupes où « I » représente le degré d’entrelacement. Ici, « I » vaut 8 car on cherche à étaler au maximum dans le temps. On va donc transmettre les 456 bits en 57×8 bits (8 fois ½ burst).

Ces huit demi-burst sont numérotés de 0 à 7. Chaque sous-bloc est associé avec un sous-bloc de la trame de parole précédente (pour les sous-blocs 0, 1, 2 et 3) ou de la trame suivante (pour les sous-blocs 4, 5, 6 et 7).

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