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Architecture du GSM
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Architecture du GSM
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Table des Matières
1. Introduction..................................................................................................................................................... 3 2. Le MS ................................................................................................................................................................. 5 3. Le BSS ............................................................................................................................................................. 13 4. Le NSS ............................................................................................................................................................. 23 5. Le TMN ............................................................................................................................................................ 29 6. Les Interfaces................................................................................................................................................ 31
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1. Introduction Le réseau GSM est découpé en quatre sous-ensembles :
le MS (Mobile Segment) est composé de terminaux portables,
le BSS (Base Station Subsystem) regroupe les équipements assurant toutes les fonctions de gestion des aspects radio. On a :
� Une ou plusieurs BTS (Base Transceiver Station) qui assurent l'interface entre structures fixes et mobiles.
� Un BSC (Base Station Controller) qui est le sous-système intelligent du BSS : gestion de la ressource radio, gestion des mesures radios remontées des MS et des BTS et responsable de la continuité de la communication.
le NSS (Network Switching Subsystem) regroupe les sous-systèmes qui assurent des fonctions du niveau réseau (routage, interconnexion). On a :
� Les bases de données HLR (Home Location Register). Ce sous-système peut être considéré comme la mémoire centralisée du réseau contenant toutes les informations relatives à tous les abonnés du PLMN.
� Les VLR (Visitor Location Register) qui peuvent être considérés comme des mémoires temporaires affectées à des zones géographiques et contenant toutes les informations relatives aux abonnés du PLMN présents sur la zone concernée.
� Les commutateurs pour mobiles MSC (Mobile Switching Center) assurent pour l'essentiel le routage et l'interconnexion avec le RTCP (Réseau Téléphonique Commuté Public).
le TMN (Telecommunication Management Network) regroupe les sous-systèmes qui assurent des fonctions de sécurisation, de supervision, de maintenance. On a :
� L'EIR (Equipement Identity Register) est une base de données annexe contenant l’identité des terminaux et permettant ainsi de vérifier les droits d’accès des terminaux accédant au réseau.
� L'AUC (Authentification Centre) est une base de données utilisée pour l’authentification des abonnés accédant au réseau.
� Les OMC (Operation and Maintenance Center) assurent des fonctions de configuration et de contrôle à distance.
� Le NMC (Network Management Centre) qui assure des fonctions de supervision du réseau.
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AUCEIR
TMNNMCOMC
BSC
BSC
G-MSC
MSC
HLR
VLR
BTS
BTS
BTS
BSS
NSS
MSR
T
C
P
Structure du Réseau GSM
Notes :
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2. Le MS Dans le réseau GSM, le terminal mobile peut prendre trois aspects :
Le téléphone de voiture Le portable d'une puissance de 8 W Le portatif d'un poids compris entre 150 et 350 grammes et d'une puissance d'environ 2W.
Le terminal est scindé en deux parties :
Le combiné téléphonique identifié par un numéro unique : l'IMEI (International Mobile Equipement Identity) qui est l'identité internationale spécifique à chaque combiné. Cet identifiant permet éventuellement via l’EIR de contrôler la présence de mobiles indésirables sur le réseau.
La carte SIM (Subscriber Identity Module) qui est généralement de la taille d'une carte de crédit (modèle SIM ID-1) peut être réduite à la puce seule (SIM plug-in). Elle contient :
� des informations permanentes
� L’identification de la phase GSM de la carte : Phase I, II ou II+. � L’identité de l’abonné au sein du réseau. C’est l’IMSI (International Mobile
Subscriber Identity) différent du numéro de téléphone MSISDN (Mobile Subscriber ISDN Number) de l’abonné.
� Les caractéristiques de l’abonnement : restrictions/permissions � Les mots de passe (code PIN (CHV1 et CHV2 : Card Holder Verification #1/#2) et
PUK pour débloquer (pas plus de 10 déblocages PUK) ainsi que les compteurs de sécurités associés.
� Les algorithmes et les paramètres du chiffrement (A3, A8, A5, Ki) � mode SMS autorisé � Le MSISDN du mobile
� des informations temporaires
� L’identité temporaire attribué par le réseau (TMSI : Temporary Mobile Subscriber Identity)
� La liste préférentielle des fréquences à écouter : cellule courante et cellules voisines � Identité de la cellule et de la zone de localisation en cours � La clé de chiffrement courante Kc
� des informations de confort
� L’environnement utilisateur (listes des numéros abrégés, historiques des appels, ...) � les derniers SMS reçus.
Cette découpe permet à l'usager d'utiliser n'importe quel terminal GSM car son identification complète est portée par la carte SIM.
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
C8
Alimentation
Reset
Horloge
Tension de Programmation
Entrée / Sortie
Horloge fournie par le Terminal et comprise entre 1 et 5 Mhz Débit d’échange typique entre SIM et MS: 9600 kbits/s Échanges toujours initiés par le MS ROM : typique 16 koctets [OS / Algos de chiffrements / Applis spécifiques] EEPROM : typique 8koctets [données permanentes et temporaires GSM et Applis] RAM : typique 100 octets [données temporaires]
GSM
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+ +BatterieTerminal
Bat
terie
f153454
Mobile Station
=
G S M
Global GSM MobilityCardThe Smart Card to use
SIM ID1
25 mm
15 mm
SIM plug-in
Notes :
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L’identifiant du terminal est l’IMEI, c’est un nombre codé sur 15 digits (1 digit = 4bits) contenant :
le TAC (Type Approval Code) : champ codé sur 6 digits fourni au constructeur lorsque le matériel est agréé.
le FAC (Final Assembly Code) sur 2 digits qui identifie l’usine de fabrication le SNR (Serial Number) sur 6 digits à la liberté du constructeur 1 digit de réserve SP (Spare)
An phase 2+, l’IMEI a été étendu à 16 digits. Le digit SP et le nouveau digit forment ainsi un nouveau champ de 2 digits dénommé SVN (Software Version Number) permettant d’indiquer la version du logiciel du terminal. Ce nouvel IMEI s’appelle alors l’IMEISV pour International Mobile Equipment Identity and Software Version Number.
La norme définie de plus pour le terminaux plusieurs classes suivant leur puissance maximale d’émission. On a :
CLASSE GSM 900 MHz Puissance Maximale (W)
DCS 1800 MHz Puissance Maximale (W)
1 - 1 2 8 0.25 3 5 4 4 2 - 5 0.8 -
Une tolérance de ± 2dB (de 0.6 à 1.6 en gain) est admise pour chaque classe.
La puissance des MS détermine la capacité qu’a le terminal à rester connecté à des stations de base éloignées. Cela détermine indirectement la couverture du réseau radio. Cette puissance maximale admissible n’est utilisée par le MS que lors du pire cas : éloignement maximal de la BTS courante. On cherche pour des raisons d’économie d’énergie (durée de vie de la batterie) ou de réduction des interférences à n’utiliser que le minimum de puissance nécessaire. Cette technique s’appelle le contrôle de puissance. On peut de plus améliorer grandement ce bilan de consommation en s’aidant d’un VAD (Voice Activity Detector) qui indique s’il y a de la phonie à transmettre et du mode DTX (Discontinuous Transmission) qui permet de couper l’émission quand il n’y a rien a émettre.
La majorité des terminaux GSM 900 vendus sont des terminaux de classe 4 (2 W) et les terminaux montés à demeure dans les véhicules sont de classe 2 (8W). Pour le DCS 1800, les terminaux sont en général de classe 1 (1 W). Le niveau minimal d’émission est de 3mW en GSM 900 et de 1mW en DCS 1800.
Un autre paramètre important du MS est sa sensibilité. Exprimée en dBm ( )1
(log101 10 mW
wattenPdBm = )
cette grandeur est le niveau de champ minimum pour lequel le terminal GSM doit encore être capable de démoduler et décoder correctement tout signal GSM. Pour des terminaux DCS 1800 la sensibilité est de -100dBm (10-13 watts), pour ceux de type GSM 900 elle est de -102 dBm (~ 6.3 10-14 watts) et pour les terminaux de voiture GSM 900 on a -104 dBm (~ 4 10-14 watts).
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Type Approval Code
TAC FAC SNR SP
Final Assembly Code
Serial number (Spare)
TYPE
APPROVED
IMEI
Notes :
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Constituants d’un Mobile :
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Un petit mot sur les terminaux multi modes :
Etant donné la demande grandissante des systèmes de radiotéléphonies actuels, qui souvent amènent à saturation les réseaux, surtout dans les zones à grande densité de population, il a été nécessaire d'installer des terminaux multistandard, capables de commuter entre des systèmes qui présentent des fréquences et des technologies digitales différentes, ce qui assure à l'abonné une meilleure liberté de mouvement à l'intérieur de zones couvertes par un nombre plus important de réseaux.
Un terminal qui peut fonctionner sur deux réseaux differents, peut être défini ainsi:
Multi Band, quand il utilise la même technologie, mais des fréquences différentes. Par exemple, un terminal qui peut être utilisé sur le réseau GSM 900 et sur le réseau DCS 1800 est du type dual band. Dans les versions sophistiquées du dual band cet aspect est transparent à l’usager qui évolue dans le réseau doté de zones couvertes à 900 ou à 1800 Mhz, le saut de fréquence en fréquence n’étant qu’un des paramètres du suivi de communications.
Multi Mode, quand il peut se connecter avec des réseaux technologiquement differents (à travers l'emploi de standards de transmission et/ou l'emploi d'une bande de fréquence). L'exemple qui illustre ce cas est le téléphone qui fonctionne soit sur des réseaux terrestres que sur des réseaux satellitaires. Le terminal qui associe les technologies GSM et DECT, se révèle particulièrement intéressant car il permet à l'abonné d'utiliser le roaming ainsi que le réseau du service GSM sur la totalité de sa couverture, quand on est loin de la zone urbaine, et d'utiliser par contre le service DECT ainsi que tous ses avantages (le même numéro de téléphone du domicile et du bureau, les caractéristiques PABX, la très grande qualité du signal à l'intérieur des bâtiments , les tarifs inférieurs à ceux des réseaux des radio-téléphones).
La commercialisation des premiers téléphones GSM dual band a commencé après le Cebit '97 grâce à l'emploi de quelques téléphones capables de fonctionner sur les réseaux GSM 900 et sur les réseaux DCS 1800/PCS1900. Le PCS1900 est le standard employé par les USA qui se sert de la même technologie du GSM, mais utilise la bande du 1900 MHz. Les utilisateurs du GSM dual band GSM-PCS1900 pourront effectuer le roaming aussi aux États Unis, tout en gardant leur carte SIM et leur numéro.
Le GSM a permis de faire un grand pas dans la miniaturisation durant ces dix dernières années. Un peu lourds au lancement du GSM les terminaux sont devenus plus légers que l’air, désormais. La loi de Moore aidant, des algorithmes de plus en plus complexes ont pu être intégré dans des volumes de plus en plus petits. En ce sens, GSM a été l’un des vecteurs d’une évolution technologique majeure qui aurait été inéluctable mais ne se serait sans doute pas passé si vite s’il n’avait pas existé.
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PCS 1900
Autres Systèmes:UMTS, DECT
GPS (localisation)
DCS 1800GSM 900 Terminaux Multi Mode
Notes :
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3. Le BSS
Dans le BSS on distingue :
La Base Transceiver Station (BTS)
Ce sous-système est composé d'un ensemble d'émetteurs / récepteurs radios. Ce type d'équipement assure l'interface entre les mobiles et les structures fixes spécifiques au GSM. Ce sous-système est en charge :
de la gestion de l’interface radio GSM :
� gestion du TDMA : multiplexage temporel d’ordre 8 � une porteuse est divisée en 8 slots).
� capacité de gérer les canaux Full Rate et Half Rate. � gestion de l'Antenna Diversity, autrement dit l'utilisation de deux antennes de
réception afin d'améliorer la qualité du signal reçu; les deux antennes reçoivent le même signal, indépendamment l'une de l'autre.
� gestion du Frequency Hopping (FH): la variation de fréquence utilisée dans un canal radio à des intervalles réguliers, afin d'améliorer la qualité du service à travers la diversité dans la fréquence.
� gestion du Discontinuous Transmission (DTX) aussi bien pour le UL que pour le DL � contrôle dynamique de la puissance des MS et des BTS: le BSC détermine la puissance
optimale avec laquelle les MS et les BTS effectuent la transmission sur le canal radio
des mesures radio permettant de vérifier la qualité du service (mesures transmises directement au BSC)
des opérations de chiffrement de la gestion de la liaison de données au niveau 2 (données de trafic et signalisation) entre les
mobiles et les structures fixes BTS (assuré par le protocole LAPDm) de la gestion des liaisons de trafic et signalisation avec le BSC (assuré par le protocole LAPD).
La capacité maximale théorique d'une BTS est de 16 porteuses. Mais on s’accorde à limiter le nombre de porteuses à un maximum de 6. Le cas typique est de 4 pour les zones urbaines (fortes concentrations d’abonnés) et d’une seule fréquence pour une couverture en zone rurale. Il faut distinguer les BTS dites normales et les micro-BTS. Ces dernières sont utilisées en zone urbaine dense principalement et sont de taille plus faible et d'un coût moindre. Les puissances sont plus faibles donc les portées plus limitées. En terme de puissances maximales admissibles on distingue :
BTS normales :
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BSS
BSC
Interface Radio
Interface Abis
Interface OMC
MS
MS
BTS
BTS
BTS
Interface Radio
Interface A
TMN
NSS
Le BSS
Notes :
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BTS micros :
GSM 900 DCS 1800
Classe Puissance maximale (en W) Puissance maximale (en W)
M1 0.08 0.50
M2 0.03 0.16
M3 0.01 0.05
Comme pour le MS on a défini un niveau de sensibilité pour les BTS. On a :
Type de BTS GSM 900 DCS 1800
Micro BTS M1 - 97 dBm - 102 dBm
Micro BTS M2 - 92 dBm - 97 dBm
Micro BTS M3 - 87 dBm - 92 dBm
BTS normale - 104 dBm - 104 dBm
Le périmètre d’influence d’une BTS est appelé cellule. Cette cellule est plus ou moins étendue suivant :
la puissance nominale la densité d’abonné de la zone à couvrir
La taille maximale d’une cellule GSM est typiquement de 35 km : c’est une limitation physique imposée par les choix faits au niveau de l’interface radio. [On peut monter à 70 km dans une version modifiée de l’interface radio qui n’est pas décrite dans la norme mais proposée par bon nombre de constructeurs]. Réduire le rayon d’action d’une BTS est un choix de l’opérateur afin de densifier le réseau et de garantir à une forte densité d’abonnés une connexion radio. Suivant le cas les cellules auront de 1 à 10km de rayon. Pour des micros ou pico cellules on aura des cellules inférieures à 1km de portée (100m pour le cas des picos).
Un site radio peut être constitué de plusieurs BTS (on parle alors de BTS multi secteurs). Les cas typiques sont :
site omni sectoriel : adapté au cas rural site bi sectoriel : fréquent sur les autoroutes sites tri sectoriel ou hexa sectoriel : pour le cas urbain.
On trouvera pour chacun des secteurs une configuration antennaire particulière : 1 antenne en émission/réception et une supplémentaire en réception (pour la diversité d’ordre 2) avec des diagrammes d’antenne adaptés à la configuration du site [Ainsi pour un site hexa sectoriel on va avoir 12 antennes au total].
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Notes :
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Quelques exemples de configurations antennaires, avec les diagrammes d’antennes associés:
TRI OMNI BI
Enfin les BTS peuvent être soit dédiées à l’environnement extérieur (outdoor) soit au milieu indoor et placées dans des locaux techniques avec un déport antennaire adéquat.
BTS Outdoor BTS Indoor
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Des BTS différentes pour couvrir l’espace(tiré du Journal des Abonnés Itinéris – 4eme Trim. 98)
Notes :
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Le Base Station Controller (BSC)
Le BSC est l'organe intelligent du BSS. Ces fonctions sont multiples. Coté radio il va s’occuper :
de l’allocation des canaux radio de la collecte des mesures radios remontées par les BTS et les MS du contrôle des puissances d'émission des MS et des BTS de garantir la continuité de la communication en cas de changement de cellule du MS : gestion
complète du handover.
Coté réseau fixe il va assurer :
la connexion des communications vers le MSC auquel il est raccordé la gestion de la signalisation avec ce MSC.
D’un point de vue connectique le BSC est relié aux BTS soit par connexions filaires (liens MICs) soit par Faisceaux Hertziens (FH). La topologie du maillage BSC-BTS est riche. On peut avoir différentes formes :
en Etoile (star) en Chaîne (chain) ou Rebouclée (loop)
La capacité de connexion d’un BSC est variable. Pour une ville comme Paris on trouve 150 BTS gérées par 12 BSCs. Mais pour un BSC il vaut mieux raisonner en capacité de communication. On établit cette capacité en Erlang.
L’Erlang est défini par le nombre moyen de ressources occupées durant une période d’observation donnée. On utilise en général l’heure de pointe et on regarde pour une population donnée d’abonnés ayant un comportement statistique connu (loi de Poisson) combien de ressources sont nécessaire pour satisfaire un pourcentage important de la population visée (le pourcentage d’insatisfait est le taux de blocage) ou pour garantir un délai d’attente. Pour un réseau tel que GSM on considère qu’un abonné moyen communique en moyenne à l’heure de pointe 90 secondes. Il monopolise donc 1 ressource pendant 1/40 eme du temps. Il vaut 25mErl.
Pour écouler un trafic total de N abonnés GSM (T = N/40 Erl) on s’aidera des tables d’Erlang (A : durée d’attente ou B : taux de blocage suivant le cas) pour connaître le nombre de ressources nécessaires. En GSM on fixe en général le taux de blocage à 2%.
Suivant les constructeurs on trouvera deux approches :
BSC de faible capacité (< 100 Erlang) pour les zones rurales BSC de grande capacité (~1000 Erlang) pour les cas urbains.
Pour fixer les idées en terme de nombre de ressources physiques nécessaires pour écouler le trafic désiré (exprimé en Erlang), il suffit de se pencher sur les tables d’Erlang adéquates (en annexe de tout bon livre de statistique). On constate alors que pour un taux de blocage de 2% on a la progression suivante :
Trafic de 1 Erlang écoulé par 4 ressources physiques Trafic de 10 Erlangs écoulé par 16 ressources physiques Trafic de 100 Erlangs écoulé par 112 ressources physiques Trafic de 1000 Erlangs écoulé par 1010 ressources physiques
Pour le cas du GSM, ce trafic écoulé T correspond à un nombre d’abonnés N = 40*T (le comportement de l’abonné moyen est estimé à 25mErl).
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STAR Connection
CHAIN Connection
LOOP Connection
BSC
Notes :
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La norme GSM précise que les fonctions de codage/décodage de parole et d’adaptation de débit pour les services de données circuit (9600, 4800, 2400, 1200 bits/s) doivent être assurées par le BSS. Par contre la norme ne précise pas ou cette fonctionnalité appelée TRAU (Transcoder and Rate Adaptation Unit) doit être implantée. Ce choix est laissé à la liberté du constructeur d’infrastructure. On a comme possibilités :
à la BTS au BSC dans un équipement annexe placé au niveau du BSC et appelé TCU (Transcoder Unit)
Pour les premiers réseaux GSM les fonctions de TRAU furent placées au niveau des BTS mais avec l’essor du GSM elles migrèrent vers le BSC. Certains constructeurs préférant les implanter dans le BSC tandis que d’autres ont choisi de les placer dans un équipement annexe (TCU) compagnon du BSC. L’explication de ce choix est essentiellement économique. Pour schématiser il faut se rappeler que le codeur de parole du GSM comprime la parole claire, classiquement transportée sur des réseaux fixes par des circuits de 64 kbits/s, en des flux de 13 kbits/s. Ce codeur est placé coté MS mais aussi coté réseau. Le flux de parole comprimée est transporté au niveau radio sur des canaux de débit maximum de 22.8 kbits/s. Au niveau terrestre on a la possibilité de transporter les flux de data ou de parole dans des tuyaux de 8, 16, 32 ou 64 kbits/s. Si l’on place le décodeur de parole à la BTS, on a alors besoin de transporter dès la BTS de la parole décompressée à 64 kbits/s. Pour N communications de phonie on a besoin alors de N liens à 64 kbits/s.
Si l’on place le décodeur de parole du coté du BSC (dans un TCU ou dans le BSC) le transport du flux comprimé à 13 kbits/s se poursuit jusqu’au BSC. Pour le transporter entre BTS et BSC on a besoin alors de tuyaux à 16 kbits/s par communications. Ainsi pour N communications on a besoin désormais de N liens à 16 kbits/s soit N/4 liens à 64 kbits/s. Quand on sait que les opérateurs de réseaux GSM ne sont pas toujours propriétaires des liens de communications entre leurs infrastructures et notamment ceux entre BTS et BSC et que la location de tuyaux à 64 kbits/s est chère, il convient de mettre en œuvre des solutions pour baisser le coût de cette location.
BSC BTS (Trau)
MS (Cod/Dec)
MS (Cod/Dec)
MS (Cod/Dec)
MS (Cod/Dec)
N liens à 64 kbits/s
BSC BTS (Trau)
MS (Cod/Dec)
MS (Cod/Dec)
MS (Cod/Dec)
MS (Cod/Dec)
N/4 liens à 64 kbits/s
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TRAU dans le BSS
BSC TRAU MSC
BTSMS
Interface Airvoix 13 kbit/s sur
canaux à 22.8 kbit/s
Interface Abisvoix 13 kbit/s sur canaux à 16 kbit/s
Interface Atervoix à 13 kbits/s sur
canaux à 16 kbits/s
Interface Avoix à 64 kbits/s sur
canaux à 64 kbits/s
Notes :
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4. Le NSS
Dans le NSS on distingue :
Le Mobile services Switching Center (MSC)
Appelé aussi centre de communication des mobiles ou encore commutateur du service mobile, il gère l'établissement des communications entre un mobile et un autre MSC, la transmission des messages courts. Il assure l'exécution du handover lorsqu’il y est impliqué et est en dialogue permanent avec le VLR.
Dans certains cas MSC et VLR sont réunis sur un même matériel.
Un ensemble MSC/VLR peut gérer environ 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 implantées des fonctions spécifiques au réseau GSM.
Le Mobile Switching Centre (MSC) est l'élément central du NSS. Il gère grâce aux informations reçues par le HLR et le VLR, l’acheminement et la gestion du codage de tous les appels à destination ou en provenance de differents types de réseau tels que PSTN (Réseau téléphonique commuté public), ISDN (réseau RNSI), PLMN (autres opérateurs GSM) et PDN (Réseaux data mode paquet – TransPac).
Il est Gateway (G-MSC) lorsque son rôle consiste à relier le PLMN au monde extérieur (PSTN)
Le Home Location Register (HLR)
Le HLR (ou enregistreur de localisation nominal) est la base de données qui gère les abonnés d'un PLMN donné. Il mémorise deux types d’information :
o Les données permanentes rentrées par l’opérateur à partir du système d’exploitation du réseau et variant peu au cours du temps : l’IMSI, le MSISDN, le profil d'abonnement (services supplémentaires autorisés, droits et restrictions, ... ).
o Les données dynamiques associé à l’état courant du MS dans le réseau : le numéro de la base de données de localisation dans laquelle se trouve l'abonné (MSC/VLR), l’état d’activité du MS (On/Off).
Ces différentes informations sont :
o Soit centralisées sur une machine dédiée qui peut alors gérer plusieurs milliers d'abonnés ;
o Soit déportées sur les MSC ce qui est souvent le cas en pratique : ainsi un abonné se trouve physiquement enregistré sur l’équipement vers lequel il communique préférentiellement (MSC de son lieu d’habitation). La signalisation s’en trouve ainsi réduite.
Un abonné est associé à un HLR unique. Ce HLR est identifiable via le MSISDN ou l’IMSI de l’abonné.
Le Visitor Location Register (VLR)
Le Visitor Location Register (VLR) est une base de données qui mémorise de façon temporaire les données concernant tous les abonnés qui appartiennent à la surface géographique qu'elle contrôle. Ces données sont réclamées au HLR auquel l'abonné appartient.
Généralement pour simplifier la structure du système, les constructeurs installent le VLR et le MSC côte à côte, de telle sorte que la surface géographique contrôlée par le MSC et celle contrôlée par le VLR correspondent. Ainsi on parle plus de l’entité globale MSC/VLR plutôt que séparément des deux équipements.
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MSC
AUC
GMSC
BSS
Autres GSM,PSTN, ISDN
G-interface
IWF IWF
C-interfaceA-interface A-interface
B-interface B-interface
E
F
E
F
H
DDBSS
E-interface
VLR
HLR
VLR
EIR
SMS-SCServeur de Facturation
Serveur de Facturation
Le NSS
Notes :
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Certaines propriétés du MSC/VLR sont fondamentales pour garantir la sécurité :
o L'authentification de l'auteur de l'appel est initiée par le MSC/VLR. Il s’appuiera sur l’AUC (via HLR) pour réussir cela.
o L’attribution régulière aux MS d’identités temporaires TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) afin de limiter l’utilisation de l’identité absolue de l’usager IMSI est régie par le MSC/VLR.
et pour suivre l’évolution des MS au sein du réseau :
o lorsque le MS est en veille et qu’il change de cellule il doit parfois (lorsque la cellule n’appartient plus à la même zone de localisation que la précédente) avertir le MSC/VLR de ce changement.
o lorsque le MS est en communication et que sa mobilité l’oblige à changer de cellule alors, le BSC est là pour exécuter ce changement. Cela reste simple si la nouvelle cellule est gérée par le même BSC que la cellule courante. Dans le cas contraire le MSC/VLR doit jouer un rôle moteur.
Les informations présentes au sein du VLR sont :
o Le Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI), il est employé comme garant de la sécurité du IMSI, et il peut être attribué à chaque requête du MS vers le réseau.
o L’état du MS (en veille, occupé, éteint)
o L'état des services complémentaires comme Call Waiting, Call Barring, etc.
o Les types de services auxquels l'abonné a souscrit et auxquels il a droit d'accès (voix, service de données, SMS, d'autres services auxiliaires).
o La Location Area Identity (LAI) contrôlée par le MSC/VLR et dans laquelle le MS se trouve.
o Les informations permettant l’authentification et le chiffrement avec le MS concerné.
On associe souvent au NSS les équipements suivants bien qu’ils soient théoriquement placés dans le TMN :
L’EIR est une base de données annexe qui contient les identités des terminaux (IMEI) et surtout une liste blanche avec les terminaux autorisés à fonctionner sur le réseau. Si le terminal n'est pas autorisé, parce qu'il perturbe le réseau ou que son utilisation est frauduleuse, on peut alors remonter à l'identité de l'abonné (IMSI). Des liens entre EIR sont courants pour passer d'un PLMN à un autre. Pourtant, aujourd'hui, faute d'accord entre les opérateurs, les EIR ne sont souvent pas utilisés. La base de données est divisée en trois sections:
� White List: contient tous les IMEI attribués à tous les opérateurs des differents pays avec lesquels on a des accords de roaming international.
� Black List: stocke tous les IMEI qui sont censés être bloqués (par exemple ceux qui ont été volés).
� Grey List: contient tous les IMEI désignés comme « faulty – en faute » ou bien ceux qui désignent des téléphones non homologués. Les terminaux insérés dans la Grey List sont signalés aux opérateurs du système à l'aide d'une alarme quand ils demandent l'accès, ce qui permet l'identification de l'abonné qui utilise le terminal et celle de la zone d'appel où ce dernier est situé.
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La hiérarchisation du réseau GSM
BSC
G-MSC
HLRMSC
VLR
BSS NSS
R
T
C
P
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BSC
BSC
MSC
VLR
Zones de Loc.
Notes :
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A chaque tentative de connexion du MS avec le réseau, le MSC/VLR à l'aide de l’EIR, avant d'autoriser ou de refuser l'accès, vérifie la présence d'un des cas suivants:
o Le terminal a été homologué pour la connexion avec un réseau GSM o Le terminal n'a pas été volé ou utilisé abusivement o Le terminal n'a pas été désigné comme faulty
L'EIR peut être unique pour l'ensemble du système ou peut être placé dans une configuration distribuée. Il peut être colocalisé au couple HLR / AUC, mais généralement on préfère le placer dans un équipement différent pour des raisons de sécurité.
Il est facilement accessible pour permettre la mise à jour des différentes listes qu'il contient, à partir de tous les sites du réseau. On prévoit de réaliser, dans le futur, la connexion entre tous les EIR des differents opérateurs GSM, dans le souci d'empêcher l'utilisation d'appareils volés dans des pays autres que ceux où le vol a été commis.
Le centre d'authentification AUC est une fonction du système fournissant au MSC/VLR via HLR les informations permettant l’authentification de l’abonné (paramètres SRES et Rand) et le chiffrement du trafic (paramètres Kc). Le triplet (SRES, Rand, Kc) est appelé triplet de chiffrement. C’est ce triplet qui est présent au sein du VLR. Afin d’optimiser les échanges avec AUC, le MSC/VLR demande plusieurs triplets de chiffrement (typique 5) pour avoir une marge. Via l’IMSI, l’AUC possède pour chaque abonné une clé secrète (clé Ki) qui est également présente coté MS dans la SIM. Les algorithmes permettant de générer les triplets de chiffrement utilisent cette clé secrète comme paramètre d’entrée. A chaque transaction du MS (appel, mise à jour de localisation) une authentification est réalisée. L’AUC ne communique qu’avec le HLR. Ces deux entités peuvent être colocalisées dans un même équipement.
le SMSC dont on parle dans le chapitre relatif aux services.
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EIR & AUC
EIR
Liste Noire
Liste Grise(MS douteux)
MS OK
Mobile
IMEI
Triplet de Chiffrement
SRES, Kc, RAND
Requête HLR
AUC
AlgorithmesA3, A8
Ki RAND
AUC fournit
IMSI
Notes :
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5. Le TMN L’administration des premiers réseaux de télécommunications se faisait individuellement en connectant directement une console de maintenance à l’équipement concerné. On a cherché à améliorer tout cela en cherchant à déporter l’administration du réseau.
Cette administration a pour but d'offrir un certain niveau de qualité aux usagers. Ce travail comprend l'administration commerciale (facturation, statistiques, gestion des abonnements...), la gestion de la sécurité, la gestion des performances, la configuration du système et la maintenance de l'équipement. Malgré la complexité des éléments à administrer, il est indispensable de fournir une interface conviviale et normalisée (représentation graphique des charges, histogrammes, etc.). Il est donc nécessaire d'incorporer des éléments de médiation entre le réseau et le système d'exploitation. L'ensemble de ces éléments forme le TMN.
La complexité des réseaux GSM entraîne une organisation précise pour leur maintenance. Les OMC sont proches du réseau : les OMC-R vont superviser les BSS (BTS/BSC/TCU) sur différentes zones et les OMC-S vont s’occuper du NSS (MSC/VLR/HLR/AUC).
Les incidents sont transmis aux OMC qui les filtrent pour ne laisser passer que les incidents majeurs en direction du NMC (Network Management Center).
Pour éclaircir les choses, le NMC correspond au système d'exploitation du TMN et les OMC assurent les fonctions de médiation.
• Operation and Maintenance Centre
Le centre d’opération et maintenance possède les fonctions suivantes:
o L'accès à distance à tous les éléments qui composent le réseau GSM (BSS, MSC, VLR, HLR, EIR et AUC).
o La gestion des alertes et de l'état du système avec la possibilité d'effectuer différentes sortes de test permettant l'analyse des prestations et la surveillance de la qualité de fonctionnement de ce dernier.
o Le stockage de toutes les données relatives au trafic des abonnés, nécessaires à la facturation.
o La supervision du flux du trafic dans les centrales et l'introduction de changements éventuels dans le même flux.
o La visualisation de la configuration du réseau avec la possibilité d'effectuer des changements à partir d'endroits éloignés.
o La gestion des abonnés et la possibilité de localiser leurs positions à l'intérieur de l'aire de couverture.
Pour la facturation les choses sont relativement simples. Chaque MSC génère un CDR (Charging Detail Record) qui est une sorte de quittance électronique émise à chaque utilisation de service par un abonné. On trouve sur ce CDR le n° de l’appelant, le n° de l’appelé, la durée de l’appel, les numéros des cellules utilisées, la date, l’heure, le n° IMSI, le n° IMEI, le type d’appel (entrant/sortant), le type de service (voix/données/SMS).
Le CCBS (Customer Care and Billing System) cœur du système de facturation possède pour chaque abonné un compte de facturation. Il est situé au niveau de l’exploitation du réseau et s’appuie sur les organes de médiations (OMC-B) pour rapatrier régulièrement depuis les MSC les CDR. Ces derniers donc permettent la facturation clients par clients.
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TMNNetwork
ManagementCenter (NMC)
ManagementCommercial
OMC-S OMC-R OMC-R OMC-S OMC-R OMC-R
O & M Réseau de CommunicationX.25
HLR MSC
BSS
Niveau 1
Niveau 2: Réseaux de données
Niveau 4Exploitation
Niveau 3: Médiation
X-terminal
X-terminal
Q3 Q3: interface propriétaire
BSS
Notes :
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6. Les Interfaces
Certaines normes concernant les interfaces entre les composants du réseau ne sont pas toujours respectées (cf. interface B du tableau) car les deux éléments se trouvant sur un même PLMN, des accords sont parfois pris en interne. Par contre, d'autres (cf. interface D du tableau) concernant les interfaces entre deux éléments de PLMN différents sont nécessairement respectées pour permettre l'itinérance internationale par exemple.
Nom Localisation Utilisation
UM MS -- BTS Interface radio
Abis BTS -- BSC Divers
A BSC -- MSC Divers
C GMSC -- HLR Interrogation HLR pour appel entrant
C SM -GMSC -- HLR Interrogation HLR pour message court entrant
D VLR -- HLR Gestion des informations d'abonnés et de localisation
D VLR -- HLR Services supplémentaires
E MSC -- SM-GMSC Transport des messages courts
E MSC -- MSC Exécution des handover
G VLR -- VLR Gestion des informations d'abonnés
F MSC -- EIR Vérification de l'identité du terminal
B MSC -- VLR Divers
H HLR -- AUC Echange des données d'authentification
Liste des interfaces dans un système GSM
Ces interfaces sont physiquement supportées par des liens MICs. Qu’est-ce qu’un lien MIC ?
MIC pour modulation par impulsions codées ou PCM (Pulse Code Modulation) en anglais. Cet acronyme désigne à la fois le codeur de parole G711 normalisé en 1970 par l’ITU et comprimant la voix en vue d’être transportée sur un RTCP numérique et la structure du lien numérique permettant de transporter la voix. Ici on va détailler ce qu’est un lien MIC. C’est un lien unidirectionnel numérique permettant de relier un équipement A à un équipement B en structurant le transfert des informations suivant un multiplex temporel.
Il possède deux structures possibles : La structure dite E1 développée en Europe et celle dite T1 utilisée au Japon et aux USA. Nous détaillons dans un premier temps la structure E1.
Prenons deux liens de transmission :
un est dédié au transfert d’une horloge de A vers B l’autre est dédié au transfert d’information.
L’horloge choisie en MIC E1 est 2.048 Mhz. Ce choix n’est pas anodin. En effet cette structure de transmission a été initialement pensée pour transporter de la parole compressée à 64 kbits/s dans les RTCP. Ce codage de parole produit des échantillons de parole à raison de 8 bits toutes les 125 µs. Sachant que l’on souhaite avoir un lien permettant de multiplexer plusieurs utilisateurs entre eux on a alors sur ce lien la possibilité d’avoir plus d’un canal à 64 kbits/s. Le lien E1 permet un multiplex de 32 utilisateurs potentiels.
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Notes :
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Pour E1 on a 32 intervalles de temps (IT) de 8 bits chacun, qui s’écoulent en 125 µs. Soit donc un rythme global de 2.048 Mbits/s.
Ces 32 IT numérotées de 0 à 31 permettent de multiplexer sur un même lien 30 utilisateurs différents utilisant un canal de 64 kbits/s. Deux IT sont réservées pour la signalisation :
L'IT 0 des trames impaires contient un élément de synchronisation appelé aussi verrouillage de trame et celui des trames paires peut transmettre des informations de supervision tels que des alarmes.
L'IT 16 contient la signalisation (signalisation hors bande réservée aux utilisateurs).
La norme G732 décrit la structure du MIC E1.
Aux US et au Japon une autre structure a été choisie : le MIC T1. On retrouve les même fondements : un multiplex de N*8 bits toutes les 125 µs. Mais les choix s’avèrent différents. On a choisi de multiplexer 24 canaux (soit 24*8 = 192 bits) et d’ajouter 1 bit supplémentaire à la trame pour la synchronisation (alternance de 1 et de 0). Dans la structure T1, la signalisation est effectuée dans la bande : certaines IT pouvant contenir 7 bits d'information + 1 bit indiquant le type d'information transportée (données utilisateur ou signalisation). Dans la norme G733 décrivant le multiplex T1: chaque IT d'une voie contient 8 bits de données durant 5 trames et 7 bits de données et 1 bit de signalisation dans la trame qui suit (cette signalisation dans la bande est appelée aussi signalisation par vol de bit). L’horloge de transmission du MIC T1 est alors 1.544 Mbits/s.
Les multiplexs (T1 ou E1) décrits précédemment peuvent être à leur tour multiplexés selon une hiérarchie appelée hiérarchie numérique plésiochrone ou PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy). Comme pour les multiplexs primaires, il existe des différences dans les multiplexs de niveaux supérieurs entre l'Europe, les Etats-Unis et le Japon.
En Europe, chaque multiplex combine les trames issues des 4 systèmes (appelés affluents) d’ordre inférieur: E1 (2,048 Mbps), E2=4*E1 (8,448 Mbps), E3=4*E2 (34,368 Mbps) et E4=4*E3 (139,264 Mbps).
Aux Etats-Unis on a un choix différent: T1 (1,544 Mbps), T2=4*T1 (6,312 Mbps) et T3=7*T2 (44,736 Mbps)
Au Japon on a: T1 (1,544 Mbps), T2=4*T1 (6,312 Mbps), T3=5*T2 (32,064 Mbps) et T4=3*T3 (97,728 Mbps).
Il faut remarquer que le débit d'un multiplex est supérieur à la somme des débits des multiplex de niveau inférieur. Cela est du au fait que des bits de bourrage (appelés bits de justification positive) sont rajoutés pour pallier aux différences de rythme des différents affluents. Cela permet de rendre synchrones les voies plésiochrones.
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MICs
Notes :
