1. GSM G lobal S yste m for M obile C ommunications Cynapsys Software Engineering, Mars 2010 Par : Lassaad ELAABIDI Grow with us

2. Plan 1. Architecture du réseau GSM 1.1. Architecture du réseau d’accès radio BSS 1.2. Architecture du réseau cœur NSS 1.3. Fonctionnalités du réseau GSM 1.4. Entités de base 1.5. Différents cas de Handover intercellulaire 1.6. Composition d’un site Radio GSM 1.7. Interfaces dans GSM 1.8. Modèle OSI dans GSM 1.9. Services GSM 1.10. Principales bandes de fréquences GSM dans le monde 2. Architecture d’un réseau GSM/GPRS 3. Intégration EDGE 4. Conclusions

3. Architecture du réseau GSM (1/20) Un réseau GSM ( G lobal S ystem for M obile communications) est constitué de quatre sous-systèmes : - B ase S tation: la Station Mobile M S - B ase S tation S ub-system: le Sous-Système Radio BSS - N etwork and S witching S ub-system: le Sous-Système Réseau NSS - O peration and S upport S ub-system : le Sous-Syst è me d ’ exploitation et de maintenance OSS

4. Architecture du réseau GSM (2/20) NB. Le BSS et le NSS sont reliés, via un LAN ou WAN, par l’ OSS ou bien l’ OMC ( O peration and M aintenance C enter ou bien OSS ; O peration and S upport S ub-system ) qui est utilisé pour configurer et maintenir le réseau depuis une location centrale.

5. Architecture du réseau GSM (3/20) Equipement Mobile Architecture du réseau d’accès radio BSS Il assure les transmissions radioélectriques et gère les ressources radio Contenant toutes les informations d’abonnement

6. Architecture du réseau GSM (4/20) Architecture du réseau cœur NSS Comprend l’ensemble des fonctions nécessaires à l’établissement des appels et à la gestion de la mobilité (e n charge de la gestion des services à commutation de circuits: voix, fax, SMS, données , ... )

7. Architecture du réseau GSM (5/20) NSS BSS MS Fonctionnalités du réseau GSM

8. Architecture du réseau GSM (6/20) Entités de base BTS: Base Transceiver Station: station de base qui assure la transmission/réception radio entre mobiles et réseau: - Gestion de la couche physique (multiplexage TDMA, modulation/démodulation RF, égalisation, chiffrement, entrelacement,…) - Gestion de la couche liaison de données (LAPDm) - La capacité d’une BTS est mesurée en nombre d’émetteurs/récepteurs supporté (nombre de modules TRX; Trans-Receiver) - Un TRX est un module électronique qui assure l’émission et la réception d’une trame à 8 canaux Full-Duplex: les deux interlocuteurs peuvent parler en même temps Structure d’une trame GSM

9. Architecture du réseau GSM (7/20) Entités de base BTS: Base Transceiver Station - La zone d’action d’une BTS est appelée cellule Site théorique Hexagone Site réel Couverture d’un site Radio Une fréquence utilisée dans une cellule ne doit pas être utilisée dans les hexagones voisins  Hard-Handover

10. Architecture du réseau GSM (8/20) Entités de base BSC: Base Station Controller: un contrôleur de station de base peut gérer et superviser plusieurs stations de base (BTS); c’est l’organe « intelligent » du BSS Les principales tâches d’un BSC sont: - Gestion des ressources radio: allocation des canaux - Contrôle de puissance des MS et BTS - Décision et exécution des mécanismes de Handover - Concentration du trafic vers le MSC

11. Architecture du réseau GSM (9/20) Entités de base BSC: Base Station Controller La capacité d’un BSC est mesurée par trois paramètres: - Nombre de TRX - Charge maximale en trafic (en Erlang) - Le nombre de ports physiques BTS + BSC = Sous Système Radio BSS; Base Station Sub-system

12. Architecture du réseau GSM (10/20) Entités de base MSC: Mobile services Switching Center: c’est un commutateur en charge de la gestion des services en mode circuit des stations mobiles qui sont enregistrées dans la zone géographique qu’il gère Le rôle d’un MSC est: - Gestion des appels - Gestion des Handover - Interconnexion avec le réseau public fixe (RTCP) via Gateway MSC (GMSC) - Gestion des terminaux visiteurs à travers son VLR

13. Architecture du réseau GSM (11/20) Entités de base MSC: Mobile services Switching Center La capacité d’un MSC est mesurée en: - Trafic en Erlang - BHCA; Busy Hour Call Attemps  Nombre d’appels fait pendant une heure la plus occupée du jour (peak hour)) GMSC: Gateway MSC Passerelle MSC, un routeur qui, effectue le routage des appels venant du RTC vers le MSC du destinataire et vice-versa.

14. Architecture du réseau GSM (12/20) Entités de base HLR: Home Location Register: registre des terminaux locaux; base de données contenant: - Toutes les informations d’abonnements IMSI , MSISDN , services autorisés,… IMSI: I nternational M obile S ubscriber I dentify; identité permanente du mobile auprès du réseau GSM; e lle n’est pas connue par l'utilisateur MSISDN: M obile S ubscriber I ntegrated S ervices D igital Network N umber ; numéro international d’un abonné: c’est par ce numéro qu’il peut appeler ou être appelé - Adresse du VLR où le mobile est localisé VLR: Home Location Register: registre des terminaux visiteurs; BD contenant: - Les informations précises sur la position de l’abonné et son déplacement dans une zone de localisation (Location Area: consiste en un ensemble de cellules gérées par un même et unique MSC/VLR )

15. Architecture du réseau GSM (13/20) Entités de base EIR: Equipment Identify Register: registre des identifiants des équipements mobiles - Base de données répertoriant les terminaux mobiles (conditions d’abonnement) - Elle contient également des informations grossières sur la localisation de l’abonné AuC: Authentification Center: centre d’authentification - Il s’agit d’un élément chargé de vérifier l’identité des utilisateurs - C’est une BD stockant les informations confidentielles ( contenant les paramètres utilisés pour la gestion de la sécurité de l’accès au système ) GMSC + MSC/VLR + HLR/AuC/EIR = Sous Système Réseau NSS; Network and Switching Sub-system

16. Architecture du réseau GSM (14/20) Différents cas de Handover intercellulaire Intra BSC Inter-System ( exemple entre GSM et UMTS )

17. Architecture du réseau GSM (15/20) Composition d’un site Radio GSM - Supports d’antennes: un pylône (monopôle, à base triangulaire, à base rectangulaire), pylônet ou un mât (6m,9m)  servent à la fois pour la fixation des antennes GSM et des antennes des liaisons FH ( Faisceaux Hertziens ) - Feeder: câbles coaxiaux assurant la liaison entre les antennes et la BTS - Antennes - Les équipements radio (BTS) sont abrités généralement au pied du pylône - Interfaces et équipements de transmission (vers le BSC) BTS Feeder Pylône Pylônes Antennes

18. Architecture du réseau GSM (16/20) Interfaces dans GSM MS : M obile S tation BTS : B ase T ransceiver S tation BSC : B ase S tation C ontroller MSC : M obile services S witching C enter VLR : V isitor L ocation R egister HLR : H ome L ocation R egister EIR : E quipment I dentify R egister AuC : A uthentication C enter G MSC : G ateway MSC Liaison Interface MS – BTS Um: interface air ou radio BTS – BSC Abis BSC – MSC ou BSS – NSS A MSC – VLR B MSC – HLR C VLR – HLR D MSC A – MSC B E MSC – EIR F VLR A – VLR B G HLR – AuC H GMSC – MSC RTC

19. Architecture du réseau GSM (17/20) Modèle OSI dans GSM Couche 1: physique - Définit l’ensemble des moyens de transmission et de réception physiques de l’information - Sur l’interface Abis (BTS-BSC) , la transmission est numérique, le plus souvent sur des voies 64 kbps - Sur l’interface radio Um (MS-BTS) , elle est plus complexe du fait des opérations à effectuer: codage correcteur d’erreurs, multiplexage des canaux logiques, mesures radio , … Couche 2: liaison de données - A pour objet de fiabiliser la transmission entre deux équipements par un protocole - Les protocoles adoptés comportent un mécanisme d’acquittement et de retransmission ( ARQ , A utomatic R epeat R equest) - La liaison entre la BTS et le BSC est gérée par le LAPD (Link Access Protocol on the D channel) utilisé dans le réseau de données RNIS - Entre la MS et la BTS , une version modifiée du LAPD est utilis ée : le LAPDm

20. Architecture du réseau GSM (18/20) Modèle OSI dans GSM Couche 3: réseau - Etablit, maintient et libère les circuits de parole ou de données impliqués dans une communication - Comporte trois sous-couches : 1. RR ( R adio R esources): gère l’ensemble des aspects purement radio 2. MM ( M obility M anagement): prend en charge la localisation, l’authentification et l’allocation du TMSI ( T emporary M obile S ubscriber I dentity; identité temporaire utilisée pour identifier le mobile dans le réseau auprès du MSC) 3. CM ( C onnection M anagement): 3.1. CC ( C all C ontrol ) : traite la gestion des connexions de circuits avec le destinataire final 3.2. SMS ( S hort M essage S ervice): assure la transmission et la réception de messages courts 3.3. SS ( S uplementary S ervices): gère les services supplémentaires (renvoi d’appel, facturation ( indication du montant ), restriction d’appel ( interdiction des appels sortants, internationaux …),…)

21. Architecture du réseau GSM (19/20) Services GSM 1. Transmission de la voix:  Téléphonie et appels d’urgence 2. Messages couts (SMS: Short Message Service):  Vers ou venant d ’ un mobile , ou en diffusion vers mobiles 3. Fax groupe 3:  Transmission alternée voix / fax ou transmission automatique fax Services supplémentaires - Renvoi d ’appel (systématique, sur occupation, etc…) - Double appel (mise en instance / attente) - Conférence (appel multipartie, groupe fermé d’usagers) - Facturation (indication du montant avec ou sans interdiction) - Restriction d’appel (interdiction des appels sortants, internationaux,…)

22. Architecture du réseau GSM (20/20) Principales bandes de fréquences GSM dans le monde En Europe, Afrique, Moyen-Orient et en Asie : 900 MHz et 1800 MHz Aux Etats-Unis, Canada et au Japon : 1900 MHz Bande GSM ( Global System for Mobile communications ) : allouée en 1982 Bande de la variante DCS (Digital Cellular System): allouée en 1990 Bande de la variante PCS ( Personal Communications Service) 915 – 890 (MHz)/200 KHz – 1 = 124 porteuses Chaque porteuse radio exige 1785 – 1710 (MHz)/200 KHz – 1 = 374 porteuses 1910 – 1850 (MHz)/200 KHz – 1 = 299 porteuses En Europe , le standard GSM utilise les bandes de fréquences 900 MHz et 1800 MHz . Aux Etats-Unis par contre, la bande de fréquence utilisée est la bande 1900 MHz . Ainsi, on qualifie de tri-bande (parfois noté tribande), les téléphones portables pouvant fonctionner en Europe et aux Etats-Unis et de bi-bande ceux fonctionnant uniquement en Europe.

23. Architecture d’un réseau GSM/GPRS (1/3) Transmission de données en mode paquet sur l'interface Radio GSM GPRS: G eneral P acket R adio S ervice Intégration de nouveaux équipements Définition de nouvelles interfaces

24. Architecture d’un réseau GSM/GPRS (2/3) Transmission de données en mode paquet sur l'interface Radio GSM SGSN: S erving G PRS S upport N ode : nœud GPRS qui est en charge de la gestion des services à commutation de paquets des abonnés attachés au réseau. Dans un réseau UMTS, il est relié via l’interface Iu-PS à un ou plusieurs RNC GGSN: G ateway G PRS S upport N ode : nœud passerelle GPRS; un routeur qui effectue le routage des paquets PCU : P acket C ontrol U nit: unité de contrôle chargée de la gestion de l’allocation des ressources radio pour des services GPRS, de la congestion et de la diffusion d’informations système liées au GPRS. Localisée dans la BTS, ou BSC ou SGSN

25. Architecture d’un réseau GSM/GPRS (3/3) GPRS: les nouveaux services 1. Service point à point (premiers déploiements):  Accès aux réseaux IP et X.25,  Navigation sur Internet,  Streaming audio & vidéo,  MMS: Multimedia Message Service (photos, vidéoclips),  i-mode: permettant de connecter des téléphones portables à Internet,  FTP, chat, telnet, émail, géolocalisation,… 2. Service point à multipoint:  Service multicast 3. Service de messagerie courts SMS (Short Message Service) - GPRS offre une meilleure efficacité de gestion des ressources radio que le mode circuit - L’intégration du GPRS est caractérisée par un coût réduit que l’UMTS (réutilisation de la même infrastructure GSM)

26. Intégration EDGE (1/2) Principe EDGE: E nhanced D ata R ates for G PRS E volution BSS=BTS+BSC NSS = GSM [GMSC+MSC/VLR+HLR/AuC/EIR]+ GPRS [SGSN+GGSN+PCU] - Introduction d’une nouvelle modulation : 8-Phase Shift Keying (8-PSK) - Utilisé comme complément avec HSCSD et GPRS - Débit maximum brut théorique : 300 kbps (E-CSD) et 384 kbps (E-GPRS) E-CSD : E xtented- C ircuit S witched D ata : forme de transfert de données développée pour les systèmes de téléphonie mobile basés en technologie TD MA comme le GS M

27. Intégration EDGE (2/2) Intégration à faible coût (par comparaison à l’UMTS) Principe EDGE: E nhanced D ata R ates for G PRS E volution L'EDGE présente l'avantage de pouvoir utiliser les infrastructures déjà déployées contrairement à l'UMTS Points faibles Points forts Débit inférieur à l'UMTS Débit très supérieur au GSM Exige de nouveaux combinés Moins cher que l’UMTS

28. Conclusions (1/2) Débits GSM/GPRS/EDGE Débit Rôle Génération Standard Réel Théorique 9.6 Kbps 9.6 kbps Permet le transfert de voix OU de données numériques de faible volume 2G GSM 48 kbps 21.4 – 171,2 Kbps Permet le transfert de voix OU de données numériques volume modéré 2.5G GPRS 171 kbps 43.2 – 384 kbps Permet le transfert simultané de voix ET de données numériques 2.75G EDGE

29. Conclusions (2/2) Processus de migration 2G-2.75G: cas du GSM  GSM vers GPRS (nouveau réseau cœur IP)  GPRS vers EDGE (mise à jour du réseau cœur et celui d’accès pour atteindre 384 Kbps; conservation des fréquences GSM)  EDGE vers UMTS (nouvelles bandes de fréquences UMTS et amélioration du réseau cœur et celui d'accès) La GSM a apporté et fait de la téléphonie mobile un produit de grande consommation. Sa phase 2+, le GPRS , ouvre la voie de la transmission de données ainsi préparer la venue de l’ UMTS .

31. Lassaad ELAABIDI Ingénieur Informatique - Télécoms Cynapsys Software Engineering - Tunisie www.cynapsys.de Tel: + 216 95 716 160 [email_address] / [email_address]