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Le fabuleux monde du GSM

Part II

 

 

IV - Canaux logiques

 

L’interface radio est le maillon faible de la chaîne transmission. Il faut prévoir un certain nombre de fonctions de contrôle de nature variée pour que le mobile se rattache à une station de base favorable, pour établir une communication, pour surveiller son déroulement et assurer des commutations de cellules en cours de communication (handover).

Ces fonctions engendrent des transferts de données: informations système, relevés de mesures, messages de contrôles. Plusieurs canaux logiques ont été définis pour les différents types de fonction.

L’interface radio permet d’offrir un certain nombre de tuyaux numériques:

 

D’une manière plus générale, il faut prévoir une multitude de fonctions de contrôle, en particulier :

*        diffuser des informations système (cf. Broadcoast Control CHannels)

*        prévenir les mobiles des appels rentrant et faciliter leur accès au système (cf. Common Control Channel)

*        contrôler les paramètres physiques avant et pendant les phases actives de transmission (cf. FACCH, SCH et  SACCH)

fournir des supports pour la transmission de signalisation téléphonique (cf. SDCCH).

 

 

TYPE

NOM

FONCTION

DEBIT

Broadcoast CHannel :

BCH

(↓)

Frequency Correction CHannel : FCCH (↓)

Calage sur fréquence porteuse

148 bits toutes les 50 ms

Synchronisation CHannel : SCH (↓)

Synchronisation (en temps) + Identification

148 bits toutes les 50 ms

Broadcoast Control Channel : BCCH (↓)

Information système

782 bit/s

Common Control Channel :

CCCH

(↓) (↑)

Paging CHannel : PCH (↓)

Appel du mobile

456 bits par communication

Random Access Channel : RACH

(↑)

Accès aléatoire du mobile

pour effectuer une opération sur le réseau

36 bits par messages

Access Grant Channel : AGCH (↓)

Allocation de ressources

456 bits par message d’allocation

Cell Broadcoast Channel : CBCH

(↓)

Messages courts (SMS) diffusés (informations routières, météo…)

Débit variable

Dedicated Control Channel

DCCH

(↓)

Stand-Alone Dedicated Control CHannel : SDCCH (↓)

Signalisation

782 bit/s

Slow Associated Control CHannel :

SACCH (↓)

Supervision de la ligne

382bit/s pour de la parole

391 bit/s pour la signalisation

Fast Associated Contol CHannel :

FACCH (↓)

Exécution du handover

9.2 kbit/s ou 4.6 kbit/s

Trafic CHannel

TCH

(↓)

Trafic CHannel for coded speech :

TCH (↓)

Voix plein/demi débit

13 kbit/s (plein débit)

5.6 kbit/s (demi-débit)

Trafic CHannel for data (↓)

Données utilisateur

9.6kbit/s, 4.8 kbit/s

ou 2.4 kbit/s

 

IV.a – Fréquence balise (beacon channel)

 

            Le réseau GSM s’appui sur le concept de la voie balise qui est choisie parmi les porteuses attribuées à l’opérateur :

1.      Elle est propre à la station de base.

2.      Elle est émise en permanence.

3.      Le MS mesure périodiquement sur cette voie le niveau de signal qu’il reçoit

4.      Le MS mesure son éloignement de la station.

5.      La voie balise comprend essentiellement des signaux de forme spécifique et des infos systèmes qui permettent de savoir :

a.       Identité du réseau

b.      Calage en fréquence

c.       Calage en temps

6.      Scrustation en permanence

7.      Fréquence descendante

a.       Emission en permanence d’un signal modulé en puissance

b.      Ensemble de canaux logiques BCH (Broadcast Channel)

 

IV.b – Les canaux logiques non dédiés

 

Canaux simplex, partagés par un ensemble de mobiles.

Sur la voie descendante (en générale la voie balise) les Ms sont à l’écoute du canal.

Sur la voie montante, on retrouve la fonction d’accès multiple. L’Aloha slotté est utilisé. Le slot supportant la fonction d’accès aléatoire (Random Access) est à priori disponible à un ensemble de mobiles. Chacun peut émettre et les collisions sont résolues par les méthodes classiques de  résolution de contentieux.

Sur la voie balise Slot 0, on y retrouve FCCH, SCH, BCCH, AGCH, PCH,CBCH.

 

IV.b.1 - FCCH (Frequency Correction Channel)

 

Consiste en 1 burst particulier émis environ toutes les 50 ms. Le message est 148 bits à 0 (67.7 kHz). Règle le décalage en fréquence du à la modulation GMSK (Gaussian minimum-shift keying) (F0 +1625/24 kHz).

La phase varie linéairement pendant un temps bit :

Ø       Si bit = 0  +Π/2 à la fin du bit

Ø       Si bit = 1  -Π/2 à la fin du bit

Cela crée un déplacement de fréquence qui occasionne un décalage de 67.7 kHz.

 

IV.b.2 - SCH (Synchronisation Channel)

 

Il a pour objet de fournir aux mobiles tous les éléments nécessaires à une synchronisation complète ; il caractérise la voie balise par un marquage spécial (séquence d’apprentissage) :

ü      Synchronisation fine : aide à la détermination du TA

ü      Synchronisation logique : détermination du FN (Frame Number). Il s’agit de mettre le compteur de trame FN mobile avec celui de la BS.

Il est possible que l’on arrive à chopper le signal sur 2 balises éloignées (même fréquence). Il faut donc le différencier par le BSIC (3bits d’identification de la BTS, 3 bits d’identification du réseau).

 

IV.b.3 - BCCH (Broadcast Control Channel)

 

Diffuse les données caractéristiques de la cellule ;

Diffusion régulières d’informations systèmes de plusieurs types ;

Contient les règles d’accès à la cellule. Permet au mobile s’il peut se mettre en veille sur la cellule, après une mise sous tension ou après y être entrer (Niveau minimal de signal exigé, niveau maximal de puissance autorisé, hystérésis nécessaire pour la re-sélection de cellules (2 dif/seconde) ;

Le numéro de zone de localisation permet au mobile de savoir si une inscription est nécessaire. (2 dif/seconde).

Les paramètres RACH donnent les règles d’accès aléatoire. De plus, ils permettent d’interdire une cellule à tous les mobiles et de la réserver par exemple uniquement à l’accueil de handover (4 dif/seconde).

D’autres informations diffusées chaque seconde, permettent aux mobiles de se mettre en conformité avec l’organisation de la cellule :

ü      Description de l’organisation des canaux de contrôle commun indique aux MS les slots à écouter pour détecter les appels diffusés.

ü      La description de l’organisation du canal CBCH permet au MS de recevoir les messages utilisateurs diffusés.

ü      La description des cellules voisines donne les fréquences des voies balises des cellules voisines.

ü      La liste des porteuses allouées à la BS est nécessaire au MS lorsqu’il est en communication et que le saut de fréquence est activé.

ü      De plus, un ensemble de paramètres nécessaire à différentes fonctions liées au déroulement des communications est diffusé : Contrôle de puissance, valeur de hors temp.

ü      Chaque BS diffuse également son identité complète (CI, Cell Identity) au sein de la zone de localisation.

IV.b.4 - RACH (Random Access Channel)

 

Si le mobile veut effectuer une opération sur le réseau (localisation, envoi de messages courts, appel d’urgence, appel normal…), ils doivent le signaler au réseau. Pour cela, ils envoient une requête très courte codée sur un seul burst vers la BS. Cette requête est envoyée sur des slots particuliers en accès aléatoire de type ALOHA synchronisé, l’ensemble de ces slots constitue le RACH. Le burst utilisé est plus court que le normal pour tenir compte du délai de propagation.

 

IV.b.5 - AGCH (Access Grant Channel)

 

Lorsque l’infrastructure reçoit une requête de la part d’un mobile, il faut allouer un canal de signalisation dédié pour identifier le mobile. Le message d’allocation contient la description complète du canal de signalisation utilisé : N° de porteuse et N° de slot.

 

IV.b.6 - PCH (Paging Channel)

 

Lorsque l’infrastructure désire communiquer avec un mobile (pour un appel, un message court, une authentification), elle diffuse l’identité du mobile, sur un ensemble de cellules. Le mobile répond par un RACH sur la cellule où elle est.

 

IV.b.7 - CBCH (Cell Broadcast Channel)

 

Permet de diffuser aux usagers présents dans la cellule des informations spécifiques (info routière, météo…). Utilisation marginale.

 

IV.c - Les canaux de contrôle logiques dédiés

 

Ces canaux fournissent une ressource réservée à un mobile. Sur une paire de fréquence, un slot parmi 8 est alloué à une communication avec un mobile donné. Cette paire de slots forme un canal physique duplex.

Le mobile se voit attribuer dans une structure multitrame une paire de slots (↑↓) dans lequel il est le seul à transmettre et à recevoir.

Dans la même cellule, aucun autre mobile ne peut transmettre, ni recevoir dans le même slot et à la même fréquence.

Ce dernier forme la base de deux canaux logiques ; d’abord le TCH (Trafic CHannel) qui porte la voie numérisée, mais aussi un petit canal de contrôle, le SACCH ( Slow Associated Control Channel) qui permet principalement le contrôle des paramètres physiques de la liaison.

            Sur un canal physique on peut placer soit :

ü      TCH avec son SACCH associé (multitrame 26 (12 ->S, 25->i))

ü      SDCCH avec SACCH associé. (multitrame 51)

 

IV.c.1 - TCH (Trafic Channel)

 

La parole est transportée par le TCH :

1.      13 kbit/s (TCH/FS) Plein débit.

2.      5.6 kbit/s (TCH/HS) Demi débit.

3.      Données 12 kbit/s.

 

IV.c.2 – SDCCH (Stand Alone Dedicated Control Channel)

 

Canal de signalisation, avec un débit plus faible 800 bit/s. On a un environ un SDCCH pour 8 TCH.

 

IV.c.3 – SACCH (Slow Associated Control Channel)

 

Une liaison radio est fluctuante, il n’est pas possible de dédier un canal à un MS sans le contrôler en permanence. Il faut constamment ajuster les paramètres pour conserver une qualité de service acceptable. Enfin le réseau doit vérifier que le mobile est toujours actif sur le canal. Son débit est faible et le délai important (½ seconde). On y retrouve :

1.      TA.

2.      Contrôle de puissance d’émission du mobile.

3.      Contrôle de la qualité du lien radio.

4.      Rapatriement des mesures effectuées sur les stations voisines

 

IV.c.4 – FACCH (Fast Associated Control Channel)

 

Le SACCH est trop lent en cas d’urgence sur un TCH (par exemple handover), donc on suspend l’émission de la TCH et on envoie le FACCH à la place. Le SDCCH est suffisamment rapide, donc pas besoin FACCH.

 

IV.d – Scrutation

 

Pendant une communication, le mobile ne se contente pas de recevoir et d’émettre une trame TDMA à la suivante. Il met à profit la durée disponible entre l’émission et la réception d’un burst, pour scruter la fréquence balise des cellules avoisinantes. Il ne peut faire, pendant cette phase appelée Monitoring que des mesures de puissance qui ne nécessitent pas de démodulation complète.

 

IV.e – Groupes de trames

 

Les trames TDMA sont groupées en trame dite multitrame :

*         Multitrame26 : 26 trames TDMA d’une durée de 120ms. Cette mulitrame supporte le TCH avec leur SACCH et FACCH.

*         Multitrame51 : 51 trames TDMA d’une durée de 235.4ms. Cette multitrame supportent les canaux SDCCH et les canaux communs.

 

         Les supertrames contiennent 26*51 =1326 trames TDMA et dure 6.12s (26 trames de 51 ou 51 trames de 26).

         Une hypertrame contient 2048 supertrames (soit 2175 648 TDMA). Elle dure 3h 28min 53s 760ms.

         Chaque trame TDMA à l’intérieur d’une hypertrame est identifié bijectivement par un numéro appelé FN (Frame Number, de 0 à 2 715 647)

 

IV.f – Spectres caractéristiques

 

A l’analyseur de spectre, nous pouvons visualiser les différents signaux échangés.

            Nous passons une communication GSM, avec une voie balise (BCH) sur le canal 21 (939.2 MHz), qui nous autorise un dialogue sur le canal TCH 62 (902.4 MHz ↑, 947.4 MHz ↓).

            Ainsi sur la bande descendante, nous visualisons les 2 raies :

*         Une d’amplitude constante (en temporelle puissance constante) la BCH.

*         Une d’amplitude intermittente (en temporelle nous retrouvons la trame TDMA donc bursté), la TCH.

            Dans la bande montante, nous visualisons de même la raie burstée sur le slot 0.

 

 

 

V.Scénario

 

V.a – Veille

 

Une MS sous tension doit pouvoir recevoir des appels. Le mobile est alors en état de veille (idle). Elle doit se caler sur une cellule, écouter une voie balise et surveiller son environnement.

 

V.b – Sélection de cellules

 

Le mobile n’a pas de renseignement :

v     Elle doit écouter l’ensemble des porteuses du système (124 pour GSM) et mesurer le champ reçu en réalisant une moyenne sur plusieurs mesures. (5 mesures sur 3 secondes).

v     Sélection sur liste en mémoire des voies balises (BCCH) du PLMN sélectionné.

 

V.c – Etudes des voies balises candidates

 

Le mobile choppe la voie la plus forte puis :

v     Vérifie le PLMN.

v     Regarde si la cellule est autorisée (Pas de surcharge)

v     Affaiblissement correcte entre MS et BTS

 

Si la cellule est convenable, la MS lit l’identité de la zone de localisation et s’inscrit si nécessaire. Une fois l’inscription acceptée, elle se cale sur la voie balise en attente d’un appel éventuel et en surveillance constante pour détecter une sortie de cellules

 

V.d – Calage sur une cellule

 

v     La MS reçoit les informations systèmes sur BCCH.

v     Elle peut établir la communication via RACH.

v     Elle écoute PCH pour surveiller les messages d’appel.

v     BCCH indique les porteuses BCCH à étudier (liste établie par l’opérateur).

v     Mobile mesure le champ de chaque BCCH (5 mesures pour 5 secondes). Et liste les 6 cellules les plus puissantes ;

v     Le mobile doit essayer de décrypter les informations système toutes les 30 secondes sur le cellule en service et toutes les 5minutes sur les 6 les plus puissantes.

 

V.e – Processus de resélection de cellules

 

La sélection de la cellule est faite si le MS détecte une puissance sur une BCCH :

 

A =Pr –Pé >0

 

La cellule sélectionnée est celle qui possède le A le plus élevé.

Toutes les 5 secondes, le mobile voit :

*         Si C1 (+ forte puissance) est trop faible.

*         MS ne reçoit plus de messages de signalisation sur la voie descendante.

*         La cellule sélectionnée est passée dans l’état interdit.

*         Il existe une meilleure cellule.

*         Une tentative d’accès aléatoire est infructueuse après le nombre maximal de transmission autorisée.

 

V.f – Perte de signalisation descendante

 

Parfois C1 ne suffit pas car il n’a pas la qualité suffisante (C/I), la MS doit écouter le canal PCH et donc décoder les messages émis sur ce canal. Pour avoir une idée de la qualité de la communication, elle fait une analyse de messages non décelables. Lorsque ce nombre atteint un certain seuil (paramétrable, diffusé sur BCCH), la MS tente une resélection de cellules.

 

V.g – Contrôle de puissance

 

Le BCCH donne l’indication au mobile de la première puissance d’émission.

C’est le réseau qui indique la puissance Max (la même pour tous les canaux).

L’information est donné via SACCH -> MS s’adapte à raison de 2dbm/60ms -> MS retourne puissance via SACCH.

V.h – DTX

 

Au niveau CODEC, le DTX permet au MS d’être inactif pendant les silences de parole. Le but est de réduire le débit de codage à 500bit/s quand l’usager n’est pas en train de parler (débit suffisant pour le bruit de fond).

On passe de 260 bits/20ms à 260bits/480ms.

Il faut un détecteur d’activité locale, une évaluation du bruit de fond côté émetteur et la génération d’un bruit de confort pendant les périodes où la transmission radio est interrompue (Au lieu de TCH, on SID qui trament les bruits de fond.

 

 

 

VI.Gestion de la sécurite du réseau et des appels

 

L’introduction de la mobilité dans les réseaux GSM a nécessité la création de nouvelles fonctions par rapport aux réseaux fixes classiques.

Le système doit pouvoir connaître à tout moment la localisation d’un abonné de façon plus ou moins précise. En effet, dans un réseau fixe, à un numéro correspond une adresse physique fixe (une prise de téléphone), alors que pour le réseau GSM, le numéro d’un terminal mobile est une adresse logique constante à laquelle il faut associer une adresse physique qui varie au gré des déplacements de l’usager du terminal.

La gestion de cette itinérance nécessite la mise en œuvre d’une identification spécifique de l'utilisateur.

De plus, l'emploi d’un canal radio rend les communications vulnérables aux écoutes et aux utilisations frauduleuses.

Le système GSM a donc recours aux procédés suivants :

v     authentification de chaque abonné avant de lui autoriser l’accès à un service,

v     utilisation d’une identité temporaire,

v     chiffrement (ou cryptage) des communications.

 

VI.a - Numérotation liée à la mobilité

 

Le système GSM utilise quatre types d’adressage liés à l’abonné :

v     L’IMSI (identité invariante de l’abonné) n’est connu qu’à l’intérieur du réseau GSM ; cette identité doit rester secrète autant que possible, aussi, GSM a recours au TMSI,

v     Le TMSI est une identité temporaire utilisée pour identifier le mobile lors des interactions Station Mobile / Réseau. A l’intérieur d’une zone gérée par un VLR, un abonné dispose d’une identité temporaire. Le TMSI, codé sur 4 octets, est attribué au mobile de façon locale, c’est-à-dire uniquement pour la zone gérée par le VLR courant du mobile. Le TMSI est utilisé pour identifier le mobile appelé ou appelant lors de l’établissement d’une communication.

v     Le MSISDN est le numéro de l’abonné; c’est le seul identifiant de l’abonné mobile connu à l’extérieur du réseau GSM,

v     Le MSRN est un numéro attribué lors de l’établissement d’un appel. Sa principale fonction est de permettre l’acheminement des appels par les commutateurs (MSC et GMSC).

 

Exemple de mise en œuvre des différentes identités d’abonné dans GSM lors d’un appel entrant:

 Mise en oeuvre des différentes identités d’abonné dans GSM lors d’un appel entrant:

VI.b - Authentification et chiffrement

 

A cause de l’utilisation du canal radioélectrique pour transporter les informations, les abonnés sont particulièrement vulnérables :

v     à la possibilité d’utilisation frauduleuse de leur compte par des personnes disposant de mobiles  "pirates", qui se présentent avec l’identité d’abonnés autorisés,

v     à la possibilité de voir leurs communications écoutées lors du transit des informations sur le canal radio. Le système GSM intègre donc des fonctions de sécurité visant à protéger à la fois les abonnés et les opérateurs

v     confidentialité de l’IMSI,

v     authentification d’un abonné pour protéger l’accès aux services,

v     confidentialité des données usager,

v     confidentialité des informations de signalisation.

 

VI.C - Confidentialité de l’identité de l’abonné

 

Il s’agit d’éviter l’interception de l’IMSI lors de son transfert sur la voie radio par des entités non autorisées. Ainsi, il devient difficile de suivre un abonné mobile en interceptant les messages de signalisations échangés.

Le meilleur moyen d’éviter l’interception de l’IMSI est de la transmettre le plus rarement possible. C’est pourquoi le système GSM a recours au TMSI et c’est le réseau qui gère des bases de données et établit la correspondance entre IMSI et TMSI.

En général, l’IMSI est transmise lors de la mise sous tension du mobile et ensuite les TMSIs successives du mobile seront transmises. Ce n’est qu’en cas de perte du TMSI ou lorsque le VLR courant ne la reconnaît pas (par exemple après une panne) que l’IMSI peut être transmise.

L’allocation d’une nouvelle TMSI est faite au minimum à chaque changement de VLR, et suivant le choix de l’opérateur, à chaque intervention du mobile. Son envoi à la station mobile a lieu en mode chiffré.

 

VI.d - Principes généraux d’authentification et de chiffrement

 

Pour mettre en œuvre les fonctions d’authentification et de chiffrement des informations transmises sur la voie radio, GSM utilise  les éléments suivants :

v     des nombres aléatoires RAND,

v     une clé Ki pour l’authentification et la détermination de la clé Kc

v     un algorithme A3 fournissant un nombre SRES à partir des arguments d’entrée RAND et de la clé Ki,

v     un algorithme A8 pour la détermination de la clé Kc à partir des arguments d’entrée RAND et Ki,

v     un algorithme A5 pour le chiffrement / déchiffrement des données à partir de la clé Kc.A chaque abonné est attribué une clé Ki propre. Les algorithmes A3, A5 et A8 sont quant à eux les mêmes pour tous les abonnés d’un même réseau.

 

L’utilisation de ces différents éléments pour la mise en œuvre des fonctions de sécurité peut être schématisée par la figure suivante:

 

 

VI.e - Authentification de l’identité de l’abonné

 

L’authentification de l’identité de l’abonné peut être exigée du mobile par le réseau à chaque mise à jour de localisation, à chaque établissement d’appel et avant d’activer ou de désactiver certains services supplémentaires.

Dans le cas où la procédure d’authentification de l’abonné échouerait, l’accès au réseau est refusé au mobile.  Le déroulement global de la procédure est le suivant : -

v     le réseau transmet un nombre aléatoire RAND au mobile 0;

v     la carte SIM du mobile calcule la signature de RAND grâce à l’algorithme A3 et la clé Ki. Le résultat calculé, noté SRES, est envoyé par le mobile au réseau;

v     le réseau compare SRES au résultat calculé de son coté. Si les deux résultats sont identiques, l’abonné est identifié.

 

Ce déroulement peut être schématisé par la figure suivante :  

 

 

La confidentialité des données permet d’interdire l’interception et le décodage des informations par des entités non autorisées; elle sert plus particulièrement à protéger les éléments suivants :

o       IMEI (identité du terminal),

o       IMSI (identité de l’abonné) et numéro appelant ou appelé. Cette confidentialité est obtenue grâce au chiffrement des données. Elle ne concerne que les informations circulant sur l’interface MS / BTS.

 

La procédure de chiffrement fait intervenir les éléments suivants : l’algorithme de chiffrement, le mode d’établissement de la clé de chiffrement et le déclenchement des processus de chiffrement / déchiffrement à chaque bout de la liaison.  

 

Etablissement de la clé

Les informations transmises sur les canaux dédiés sont chiffrées grâce à la clé Kc calculée à partir du nombre aléatoire RAND et de l’algorithme A8 selon la figure suivante :

 

Activation du chiffrement

L’algorithme A5 est implanté dans la BTS. L’activation se fait sur demande du MSC mais le dialogue est géré par la BTS.

On peut noter que ce chiffrement ne peut être activé dès les premiers messages mais se fait après une procédure d’authentification puisqu’il nécessite la connaissance de la clé Kc par le mobile.  

 

Gestion des données de sécurité au sein du réseau

 

Gestion de la clé d’authentification Ki

La clé Ki est attribuée à l’usager, lors de l’abonnement, avec l’IMSI. Elle est stockée dans la carte SIM de l’abonné et dans l’AUC au niveau du réseau. Afin de limiter les possibilités de lecture de la clé Ki, celle-ci n’est jamais transmise à travers le réseau, ni sur l’interface radio, ni entre les équipements fixes.  

 

Entités du réseau où sont enregistrées les données de sécurité

Le centre d’authentification AUC stocke l’algorithme d’authentification A3, l’algorithme de génération de la clé de chiffrement A8 et les clés Ki des différents abonnés du réseau GSM.

Le HLR peut stocker plusieurs triplets (Kc, RAND, SRES) pour chaque IMSI. Dans le VLR plusieurs triplets (Kc, RAND, SRES) sont enregistrés pour chaque IMSI. Les couples TMSI (ou IMSI)  et la clé de chiffrement Kc le sont aussi.

La BTS peut stocker l’algorithme de chiffrement A5 pour les données usager et pour les données de signalisation.

La station mobile contient dans la carte SIM de l’abonné : l’algorithme d’authentification A3, l’algorithme de chiffrement A5, l’algorithme de génération des clés de chiffrements A8, la clé d’authentification individuelle de l’utilisateur Ki, la clé de chiffrement Kc, le numéro de séquence de la clé de chiffrement et le TMSI.

 

Les mécanismes de sécurité mis en œuvre dans GSM permettent d’obtenir des niveaux de protection très élevés pour le système et pour les abonnés. En effet il faudrait par exemple plusieurs milliards de couples (RAND, SRES) afin de déterminer l’algorithme A3.

Mais aucun système de sécurité n'est fiable à 100%. On a donc recours à des systèmes de sécurité internes propres aux terminaux mobiles.

L’opérateur du réseau GSM peut vérifier l’identité IMEI d’un terminal. Si celle-ci n’est pas reconnue par le réseau ou si elle fait partie d’une liste de terminaux dérobés ou pirates, l’accès du mobile au réseau est alors refusé. Le réseau peut aussi mémoriser l’identité IMSI de l’abonné utilisant le terminal douteux.

Il est intéressant de noter que la carte SIM contient également des codes personnalisables par  l’usager et utilisés pour identifier l’abonné, tel le code PIN, Personnal  Identity Number, demandé à l’utilisateur à chaque mise sous tension du terminal.

La carte peut aussi contenir d’autres codes selon la volonté de l’utilisateur, afin d’interdire l’accès à certains services.

 

VI.f - Alimentation

 

VI.f.1 - La batterie nickel-cadmium (NiCd)

 

C'est la première technologie apparue sur le marché; ses points faibles : le poids et "l'effet mémoire". En effet, pour une utilisation optimale de votre batterie, il faut la décharger complètement avant de la recharger. Si vous ne respectez pas cette procédure, votre batterie va perdre en capacité. Sa durée de vie est d'environ 1000 cycles (charges).

 

VI.f.2 - La batterie nickel- métal hydrure (NiMH)

 

C'est actuellement la batterie la plus vendue avec  les téléphones portables, cette technologie permet une capacité et un rendement supérieurs au nickel cadmium, son point fort : elle ne possède pas "d'effet mémoire". Sa durée de vie est d'environ 700 cycles.

VI.f.3 - La batterie au Lithium

 

Elle offre le meilleur rapport énergie/poids avec une autonomie très importante, son prix est assez élevé par rapport aux autres. Sa durée de vie est d'environ 400 cycles.

 

 

 

VII Autres applications

VII.a – GPRS

 

Le GPRS (General Packet Radio Service) est un service non vocal qui permet d’envoyer des informations à travers le réseau GSM. On transmet des paquets (plus de débit, en utilisant moins de fréquence).

A terme l’usager payera le nombre de paquet (service utilisé, nombre de bits…) et non plus la durée de communication. Cela n’a rien avoir avec le GPS. Ce système permet un développement plus important du GSM mais reste limité pour des raisons de coût (ce n’est rien comparé à l’UMTS)

 

VII.a.1 – Utilisateur

*  Vitesse

La vitesse théorique en utilisant les 8 slots en même temps est de 171.2 kilobits/s. C’est trois fois plus rapide que sur les réseaux téléphoniques actuelles et 10 fois plus rapides que le GSM. Comme il est plus rapide, il revient moins cher que le SMS.

 

*  Facilité

Les informations arrivent sans avoir besoin de composer un numéro (modem). On peut l’associer à l’idée de “toujours connecté”. En plus, on introduit la notion de communication machine à machine, ce qui nous ouvre tout grand les portes de l’internet.

 

*  Accès aux services

Nous avons besoin :

·        Une MS ou un terminal qui gère le GPRS (ce qui n’est pas le cas actuellement)

·        S’inscrire chez un fournisseur.

·        Avoir les logiciels associés.

VII.a.2 – Réseau

 

Il faut adapter les réseaux existants au GPRS (analogie à internet)

 

*  Spectre Hertzien

On utilise les ressources radio quand on émet ou on reçoit des données. Donc c’est mieu et en plus on ne modifie rien.

 

*  Réseau local

Grand chambardement car on complète le dispositif actuel, en particulier pour accéder à d’autres réseaux. On introduit 3 éléments nouveaux dans l’infrastructure :

1.      SGSN (Serving GPRS Support Node). IL pilote les paquets de données entre les 2 abonnés, la gestion de la mobilité, l’identification et le codage. Le trafic entre la SGSN et le MS suit ensuite la voie normale du GSM (BSC+BTS).

2.      GGSN (Gateway GPRS Support Node). C’est un accès aux réseaux extérieurs (gestion des adresses IP) sur une base de données dynamiques.

3.      PTM-SC (Point-to Multipoint Service Centre). Traite le trafic entre le réseau GPRS principal et le HLR.

Tous les nœuds sont liés par un IP au réseau principal.

VII.a.3 - limites

 

Le GPRS sera un nouvel outil nécessaire pour le future, mais sa mise en oeuvre doit respecter certaines limitations :

 

Ø      Les cellules ont une capacité limitée

Le GPRS doit s’inclure dans le dispositif actuel. Les ressources radio sont limitées. Il est souhaitable de réserver des slots au GPRS et donc de gérer dynamiquement les allocations de canaux. On a donc besoin du SMS pour avoir d’autres ressources radio.

 

Ø      On est plus lent en pratique

Car il faut gérer les erreurs de transmission.. au lieu des 8 time slots théoriques, on en utilisera que 2 ou 3.. 

 

Ø      Une modulation optimale

GPRS est basé sur la modulation GMSK. EDGE est base sur une nouvelle modulation qui permet d’augmenter le nombre de bits sur l’interface radio (eight-phase-shift keying modulation (8 PSK)). L’UMTS utilise cette technique donc les opérateurs devront inclure cette nouvelle modulation..

 

VII.b – WAP (Wireless Application Protocol)

 

Wireless Application Protocol. Dans le domaine des transferts de données, le WAP est un protocole dont le but est de faciliter la communication entre le système informatique et un GSM. Il concerne notamment les liens entre Internet et les mobiles.

Il s’agit d’une approche de type Client/ Serveur. On introduit un browser dans le MS adapté à celui ci. Il réside en fait sur le serveur de manière temporaire. L ‘idée générale  est d’utiliser le moins de ressources possible du MS.

C’est pourquoi, on a remplacé le HTML (HyperText Markup Language) d’internet, par le HDML (Handheld Device Markup Language) et la gestion téléphonique HDTP (Handheld Device Transport Protocol). Le serveur fera le lien et l’adaptation avec l’internet ou l’intranet :

o       On fait une requête en WML (Wireless Markup Language), un langage dérivé du HTML.

o       Cette requête transite par une passerelle Wap et est mis au format HTML.

o       L’architecture de WAP est la suivante :

 

Wireless Application Environment (WAE)

Interface utilisateur.sur le MS :Supporte le WML, WMLScript (analogue a javaScript) et WTA (Wireless Telephony Application)

Wireless Session Protocol (WSP)

 

Wireless Transaction Protocol (WTP)

 

Wireless Transport Layer Security (WTLS)

 

Wireless Datagram Protocol (WDP)

 

Bearers e.g. Data, SMS, USSD

 

 

VII.c – SMS (Short Message Service)

 

Le SMS fait partie des premiers standards de la norme GSM et permet d’envoyer des messages courts (~160 caractères) d’un ordinateur vers un mobile.

Il s’est échangé en Europe en avril 99 environ 1 milliard de SMS (200 millions pour les fritzs, 75 pour les rosbeefs et 60 millions pour nous).

Le marché est boosté par la communication d’entreprise (25%) et la possibilité d’avoir un Email sans ordinateur (idéal pour les pays peu équipés) (20%), sans compter sur les messages à caractère informatif (météo..) 20%.

Mais 90% des messages restent de mobile vers mobile (bonjour, ça va…) et il reste plus pratique que le mail. Via le LAN (Local Area Networks), on peut être joint a tout moment et partout.

L’opérateur utilise ce moyen pour prévenir la présence de message sur le répondeur, le fax ou autre.

Son successeur direct est le GPRS qui est nettement plus rapide bien que la taille des messages pour l’instant envoyé rend ce service un peu gadget. Sa mort est programmée pour 2005.

Et puis avec le WAP on fera beaucoup mieux (message plus long, possibilité de stockage sur le réseau...).

VII.d – UMTS

VII.d.1 - Introduction

L’UMTS est présenté comme la troisième révolution de l’information après la télévision (spectateur passif), l’internet qui permet de chercher l’information mais qui la contrainte des terminaux fixes, et les portables où l’on peut accéder aux informations n’importe où sur la planète.

Les mobiles de la troisième génération seront des terminaux aux débits de loin supérieurs à ceux de nos portables actuels, avoisinant au maximum de leurs possibilités à peu près 2Mbit/sec. Ils ne se limiteront pas au transfert de la voix : ils pourront également offrir une gamme presque infinie de services multimédias. Enfin ils ont pour ambition de proposer au consommateur un service accessible depuis n’importe quel pays, abstraction faite de toute norme et particularisme régional.

VII.d.2 - Contraintes sur l’interface radio

*    Conçu pour accueillir une large gamme de services (Transfert à des taux 2MB/sec pour 100kb/sec pour le GSM).

 

*   Gestion de la multicouche : Interaction entre des macrocellules (de 0,5 à 10 km de rayon) pour la couverture globale, des microcellules (de 50 à 500 mètres) pour les fortes densités de trafic en ville et des picocellules (de 5 à 50 mètres), pour la couverture à l'intérieure des bâtiments. Le changement de cellules (handover) devra se faire de façon transparente, c'est-à-dire sans coupure perceptibles pour l'utilisateur, ni pertes de données.

 

*   Coexistance avec la deuxième génération (transopérabilité). Financièrement ça coûte une fortune et il faut déjà amortir les installations de la 2ième génération (GSM). La nécessité de réaliser des terminaux bimodes (GSM-UMTS) à bas coût impose quelques contraintes sur le choix des paramètres , notamment la largeur des porteuses, qui doivent être multiples de 200 kHz (on l’a déjà vu plus haut), et sur les débits utilisés, qui doivent pouvoir être dérivés  d'une horloge commune avec celle du GSM (13 ou 26 MHz.

 

*   Bandes de fréquence : Une première tranche se situe entre 1885 Mhz et 2025 Mhz et une seconde entre 2110 MHz et 2200 MHz. Dans la bande terrestre; 2x60 mhz sont appariés pour une opération en mode FDD principalement , tandis que 50 MHz sont non-appariés et devront être traités en mode TDD.

 

*   La enième comission de normalisation a proposé le concept UTRA UTRA (UMTS Terrestrial Radio Interface). Celui-ci est un compromis entre deux modes:

1.      le mode W-CDMA, utilisé en FDD (Frequency Domain Duplex, c'est-à-dire une fréquence par sens de transmission). Le concept W-CDMA utilise une technique d'étalement de spectre par séquence directe. Tous les utilisateurs émettent sur un même canal radioélectrique à large bande, mais ils sont distingués par une séquence d'étalement pseudo-aléatoire, appelée code et connue du récepteur (technique mise au point pour le GPS). Le débit maximal supporté par un seul code est de 384 kbit/sec. Pour les services à plus haut débit, plusieurs codes sont alloués à un même utilisateur et transmis simultanément sur le même canal radio (par exemple, cinq codes sont nécessaires pour supporter un débit de 2 Mbit/sec).

2.      Le mode TD/CDMA, utilisé en TDD (Time domain Duplex, c'est-à-dire multiplexage temporel des deux sens de transmission sur une même fréquence). Le concept TD/CDMA utilise une technique d'accès multiple mixte, comprenant une composante AMRT (accès multiple à répartition dans le temps) fondée sur la trame GSM et une composante d'étalement de spectre à l'intérieur des intervalles de temps (time slot en anglais) avec séparation par code (CDMA)., Ainsi une fréquence de trafic est définie par une fréquence (porteuse), un intervalle de temps et un code. Ce concept offre une large gamme de débits de service en allouant plusieurs codes ou plusieurs intervalles de temps à un même utilisateur. Le débit de 2 Mbit/s peut également être obtenu mais des raisons hautement techniques et complexes semblent limiter le bon fonctionnement de ce système aux bâtiments et aux  petites cellules urbaines.

Le mode FDD est utilisé en priorité dans les bandes appariés (1920-1980 MHz/ 2110-2170 MHz) et le mode TDD (1920-1980 MHz) dans les bandes non appariées (au choix coordination ou non entre utilisateurs).

 

VII.d.3 - Services.

Le domaine est archi flou. Le succès de la deuxième génération est plus lié à la normalisation de la première génération qu’à autre chose (le débit et le service offert ayant peu évolués).

 

  1. Les prévisions montrent qu’en 2010, la moitié des appels se feront par le filaire. Le mobile devra donc gérer cette augmentation de trafic.
  2. Le visiophone permettra de se voir tout en s’appelant. Il faudra changer les habitudes du consommateur (par exemple le lieu où va se trouver le bonhomme sera identifiable). Possibilité de visio-conférence et autres raffineries de ce genre.
  3. L’agenda offert par le palm pilot par exemple.
  4. E mel et fax rapide.
  5. Intranet : Rester connecté au réseau de son entreprise. Très utile cela a le défaut de multiplier les points d’accès donc les risques de piratages.
  6. Internet : Déjà disponible pour les téléphones de la deuxième génération (Wap mis au point par Nokia ou le GPRS a 300kbits/sec et EDGE a 500kbit/sec), le débit sera très largement augmenté (de l’ordre de 2 Mbits/sec dans le cas idéal : déplacement de moins de 10 KM/H dans des zones limitées ; raté pour les transports).
  7. Les ressources Hard seront une besoin d’un ajout de processeur de gestion d’écran couleur haute résolution, le stockage et la lecture de fichier MP3 (carte son).

  1. Les jeux en réseau : mais déjà possible avec un PC, alors…

…Est ce que le public est prêt à raquer pour les nouveaux services multimédia ?

 

Enfin l'ouverture commerciale en France de réseaux UMTS lui semble difficilement envisageable avant 2002, en particulier en raison de l'état actuel de l'occupation de spectre des fréquences et des délais pour la disponibilité des équipements liés notamment au calendrier de normalisation.

 

 

VIII Exemples concrets

 

VIII.a - Commandes AT

 

Actions

Commandes

Etablir la communication

atd112 ; (N° d’urgence, pas besoin de carte Sim)

Décrocher

ata

Raccrocher

ath

Reset soft

reset (le reset Hard sur la Demo Board est plus efficace)

 

 

VIII.c – GPS

 

VIII.c.1 - Théorie

 

*        Emission :

On a 24 satellites qui tournent autour de la planète, qui délivrent chacun un message de navigation.

Ce message comprend principalement comme information sa position, son almanach, les éphémérides…

Le signal délivré par les satellites est un multiplexage CDMA (Code Division Multiple Access) à une fréquence L1 de 1,57542MHz (L2 est réservé aux militaires).

La porteuse module le message de navigation (NAV) lent (50 bits/s) additionné à un PRN plus rapide (1023 bits/ms) et le tout constitue le message émis.

 

Chaque satellite possède son PRN, ce qui permet de personnaliser le message et de l’authentifier.

 

*        Réception :

Le module STB 5600 couplé au GP6  réalise la solution soft, Wavecom se charge de la solution radio.

1.      Calage en fréquence et en phase par le kernel (GP6).

2.      Sur 12 réceptions en parallèle, corrélations entre le signal reçu et un PRN. Si la puissance du signal en sortie est cohérente, on a identifié le Nav d’un satellite connu. On peut donc analyser 12 satellites en parallèles.

Modulation BSK (Binary shift Keying).

 

VIII.c.2 - Solution ST Microelectronics

 

La solution ST Microelectronics se présente en deux composants distincts. Le premier (STB5600) se charge de mettre en forme le signal descendant afin de fournir au deuxième (ST20GP6) un signal prêt à être traité.

 

Construit dans la technologie HSB2 high speed bipolaire, le STB5600 fournit l’interface complète entre l’antenne active et le ST20GP6.

Utilisant une conversion dual qui nécessite seulement un simple filtre passif externe IF le STB5600 fournit la conversion à partir du signal L1 (1575.42 MHz) du GPS et d’ un oscillateur local de 81.84 MHz.

Ainsi un premier soustracteur (on soustrait L1 à l’harmonique 19 de l’oscillateur) inclus dans le composant permet de transformer le signal L1 en un signal de 20.46 MHz.

Un deuxième soustracteur associé à un diviseur de fréquence par 5 permet d’obtenir le résultat de 4 MHz nécessaire au deuxième composant.

 

19 x 81,84.106 = 1554,96 MHz

1575,42.106 – 1554,96.106 = 20,46 MHz

81.84.106 /5 = 16.368 MHz

20.46.106 – 16.368.106 = 4.092 MHz

 

Un avantage important est que le couple STB5600/ST20GP6 tolère plus de +/-132kHz d’erreur de fréquence.

Ceci permet l’utilisation d’un Quartz (81.84 MHz) peu chère à la place d’un dispositif complexe nécessitant la gestion en température sans dégrader la performance TTFF (Time to First Fix).

 

 

Le ST20GP6 est un microcontrôleur dédié au GPS basé sur le ST20GP1 solution depuis 1996. Axé sur la technologie 0.35µ HCMOS le ST20GP6 est rapide et inclus les 128kbyte mask ROM et autres 64kbyte SRAM éliminant l’utilisation de mémoires externes.

Le 32-bit RISC-like CPU est accompagné par un DSP dédié qui réalise la corrélation des 12 canaux GPS.

Sont intégrés aussi dans le ST20GP6, les ports parallèles et séries I/O, gestion d’interruption et les contrôleurs de diagnostiques, le watch dog, l’horloge temps réel et l’alarme.

Une nouvelle évolution du logiciel embarqué est attendu qui a pour but de minimiser l’influence des satellites présentant une mauvaise résolution de position.

 

VIII.c.3- Tests

Via le port NMEA :

Via l’interface VisualGps ou HyperTerminal (COM1, 19200Bds pour le côté ST et COM1 4800 bauds (par défaut, 19200 si le cavalier est placé sur la démo-board) pour le côté RF, nous visualisons les données NMEA suivantes :

 

Horaire mesure        Position                                     Altitude

$GPGGA,091426.000,4849.547,N,00216.197,E,1,07,1.1,48.7,M,47.3,M,,,*49

$GPVTG,49.2,T,,M,0.2,N,0.3,K*5E

$GPGSA,A,3,25,09,30,05,06,24,04,,,,,,2.0,1.1,1.7*3A

$GPGSV,2,1,07,04,18,045,45,05,61,073,50,06,42,199,47,09,24,135,47*7A

$GPGSV,2,2,07,24,27,087,45,25,22,307,44,30,74,290,49,,,,*46

 

Position 3D

Numéro du satellite

Nombre de satellites reconnus.

Puissance des satellites en réception (2digits après le numéro du satellite)

Position            latitude 48"49.547 Nord          longitude 2"16.197 Est

Horaire            Temps universel           9h 14mn 26 s

·           GPGGA - Global Positioning System Fix Data

·           GPGSA - GNSS DOP and Active Satellites

·           GPGSV - GNSS Satellites in View

 

            Le positionnement 3D permet au système de se positionner dans l’espace. (Minimun 3 satellites reconnus).

 

Informations complémentaires :

 

NCO –86505              Fréquence d’erreur du signal H19 / attendu en Hz.

hd 3 sat 6 tow 200928 health 0     Satellite identifié

Week 1063               Semaine lors de la mesure

Candidate Time Set

hd 3 sat 17 tow 200928 health 0

Week 1063

Candidate 2 matches found

hd 3 sat 25 tow 200928 health 0

Week 1063

Candidate 3 matches found    Les satellites 6, 17, 25 ont été identifiés

GPS time error 0.000484

Posn Status : POS_3D Diff Status DIFF_OFF

Calculated DOPs p 1.79, h 0.96, v 1.51

 

POSITION SHIFT: 0.28 -0.81 0.83,  dt : 0.67    résolution de la position

P Res : 0.5 5.6 0.9 -6.8 -3.8 -0.2 4.7 -0.8

V Res : -0.03 0.03 -0.03 0.01 -0.00 0.01 -0.02 0.02

 

Lat    :  48:49.546 N              coordonnees

Long   : 002:16.199 E

Height : 124

Vel    : N -0.021 E 0.030 V -0.044

GPS Week 1063 Time 200925.51

07:48:45  on  23/05/2000

 

Sat

State

timer

Freq

Pred

PhErr

SnrI

cn0

cn0log

type

Azimth

Elev

6

9

1270

-88612

9

9346

34500

41014

46.1

E(70)

67

47

17

9

1270

-85122

9

9304

40500

67416

48.3

E(149)

132

59

25

9

1270

-88869

10

8965

41000

49705

47.0

E(228)

218

39

22

9

1270

-84152

9

8974

36500

52980

47.2

E(130)

299

43

30

9

1270

-89900

9

9137

30500

34828

45.4

E(208)

123

21

10

9

1270

-87073

9

9237

21500

18553

42.7

E(153)

41

13

1

9

1270

-87713

9

9193

16500

10560

40.2

E(206)

305

7

3

9

1270

-83288

10

9147

21500

17118

42.3

E(160)

258

14

channel idle

channel idle

channel idle

channel idle

Azimuth 0 -> 90 NE, 90 ->180 SE, 180 -> 270 SW, 270 ->0 NW

Cn0log =SNR attendu = ~50

 

 

 

IX Conclusion

 

Le réseau GSM est considéré par les spécialistes comme une révolution dans le domaine des télécommunications. Cette deuxième révolution, après celle du réseau analogique Radiocom 2000, a su se faire apprécier du grand public en proposant une bonne qualité de service à un tarif accessible.

Actuellement l'extension de la norme dans la bande spectrale des 1800 MHz qui se surajoute à la bande des 900 MHz augmente les performances de ce système.

Les réseaux de 3ème génération peuvent concilier les avantages de deux nouvelles techniques:

*  les nano-cellules couvrant la superficie d'un immeuble et bien entendu localisées dans des zones très fortement peuplées,

*  la couverture satellite en basse orbite pour les zones très faiblement peuplées ou désertiques.

 

On peut par exemple citer le projet Iridium financé par un consortium dirigé par Motorola qui projette de mettre environ 70 satellites en orbite pour assurer une couverture de téléphonie portative au niveau mondial (dépôt de bilan en mars 2000).

La téléphonie mobile sera alors réellement devenue universelle, au point que certains pensent déjà que les jours du téléphone fixe sont comptés…

Quelques chiffres du marché Français au 30 avril 1999

 

                                            

 

 

Evolution du nombre d'abonnés en France par opérateur en France  

Chiffres au 30 avril 1999

Source ART

 

Mais la France n’a beau être le centre du monde, le marché européen est leader dans ce domaine et seul l’Asie semble devoir assurer dans le future le leadership. Logique vu que l’objectif est un taux de pénétration de 100% et que l’Asie est nettement plus peuplé.

 

Enfin pour finir, le classement des plus gros fournisseurs de téléphones mobiles, je crois que je vais me mettre au finlandais

 

Je voudrais remercier tous les auteurs, éditeurs, ouvriers, techniciens, employés, ingénieurs, commerciaux qui ont permis l’élaboration de ce document.

 

BigRem – L’artificier Inc 2000.