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05/12/2013 Tunisiana Confidential 1 Introduction aux Réseaux GSM 05/12/2013 Tun

05/12/2013 Tunisiana Confidential 1 Introduction aux Réseaux GSM 05/12/2013 Tunisiana Confidential 2 Plan de la formation • Introduction • Le concept cellulaire • L’environnement Radio • Architecture d’un réseau GSM • Différentes fonctions MS 05/12/2013 Tunisiana Confidential 3 Introduction • Apparition de systèmes pré-cellulaires analogiques (Detroit en 1921: services de police) • Inconvénients: Saturation rapides des ressources radio+aucune gestion de la mobilité • Concept de partage des ressources (début des années 60) • 1971: Bell Telephone présente le concept cellulaire • 1975: AMPS (Advanced Mobile Phone Service) : premier système cellulaire moderne avec: – Gestion des ressources radio – Séléction de la meilleure fréquence – Réalisation des transferts inter-cellulaires (Handover) • 1990s: passage au mode numérique: – Meilleure restitution de la parole – Optimisation des ressources radio – Nouveaux services – Cryptage de l’information 05/12/2013 Tunisiana Confidential 4 Introduction Principaux acteurs: • Constructeurs: – Infrastructure réseau – Infrastructure radio – Terminaux • Opérateurs: – Publics – Privés • Administrateurs: – Attribution des fréquences – Homologation – Organismes de normalisation… 05/12/2013 Tunisiana Confidential 5 Le concept cellulaire (1) • Concept de base: – Division du territoire en cellules – Partage et réutilisation des ressources radio entre les différentes cellules • La cellule: unité géographique du réseau – Taille variable en fonction du relief, de la densité d’abonnés… (de 0.2 à 35 Km) – Structure hiérarchique (cellules macro, micro…) 5 5 15 15 7 7 7 10 10 05/12/2013 Tunisiana Confidential 6 Le concept cellulaire (2) • Chaque cellule possède un émetteur-récepteur – Groupe de fréquences radio attribué à chaque cellule – Technique de multiplexage (TDMA, FDMA) • Difficulté supplémentaire: itinérance de l’abonné – Gestion des transferts inter- cellulaires (Handover) 05/12/2013 Tunisiana Confidential 7 Le concept cellulaire (3) Techniques de multiplexage: – Accès multiple en fréquence (FDMA) – Accès multiple en temps (TDMA) 05/12/2013 Tunisiana Confidential 8 Le concept cellulaire (4) • Macro Cellules – Zones à population dispersée ( diamètre: 10-30km) – Usage: voiture, train, etc…. • Micro Cellules – Zones à population très denses ( 100 à 300m) – Usage: piétons • Cellules parapluie – Pour éviter un nombre trop important de commutations entre cellules – Peuvent remédier aux « trous » de couverture 05/12/2013 Tunisiana Confidential 9 Le concept cellulaire (5) Problématique cellulaire: • Objectifs économiques – Types de services/terminaux – Densité des utilisateurs – Types de couvertures (Deep Indoor, Indoor, Incar…) • Ressources Radio – Optimisation – Réutilisation 05/12/2013 Tunisiana Confidential 10 L’environnement Radio La liaison radio est assurée par un ensemble de: • Emetteurs (puissance) • Récepteurs (sensibilité) • Câbles • Antennes • Espace libre (Modélisation) 05/12/2013 Tunisiana Confidential 11 L’environnement Radio Le canal de communication radio-mobile: • Variable, incontrôlable, dépendant de: – Morphologie du terrain, nature de la végétation, densité et nature des bâtiments – Température, humidité…  Difficulté pour prévoir l’atténuation • Impact direct sur: – Qualité – Définition des canaux – planification 05/12/2013 Tunisiana Confidential 12 Propagation Radio-mobile Plusieurs dégradations: • Pertes dues à la distance (pathloss) • Atténuations dues aux effets de masques (shadowing) • Evanouissements dus aux multitrajets (fadings) • Brouillages dus aux interférence avec le système • Brouillages dus aux interférence avec le bruit ambiant (autres systèmes) 05/12/2013 Tunisiana Confidential 13 2 )] / ( 4 [ Pr  d PtGrGt  Propagation en espace libre Puissance réçue Puissance émise Perte en espace libre Gain de l’émetteur Gain du récepteur 05/12/2013 Tunisiana Confidential 14 Effet de Masque (Shadowing) C’est la principale atténuation subie par le signal due aux obstacles naturelles et/ou aux structures artificielles. On distingue alors deux modes de propagation: • Propagation en vision directe: aucun obstacle entre l’émetteur et le récepteur • Propagation sans vision directe: existence d’un ou plusieurs obstacles entre l’émetteur et le récepteur. 05/12/2013 Tunisiana Confidential 15 Les multitrajets • Le signal reçu par le récepteur représente la combinaison de: – Signal provenant directement de l’émetteur – La somme des signaux reçus indirectement par diverses mécanismes (réflexions, diffractions…) • Effet positif – Franchir les obstacles • Effets négatifs – Dispersion des retards  Fadings (altération d’amplitude et de phase) – Interférence multitrajets 05/12/2013 Tunisiana Confidential 16 Effets conjugués 05/12/2013 Tunisiana Confidential 17 Modèles de propagation • Canal de propagation incontrôlable, variable • Phénomènes de propagation multiples Nécessité de modèles empiriques de propagation (Okumura-Hata…) Outils de simulation 05/12/2013 Tunisiana Confidential 18 Interférences et brouillage • Bruits – Thermique – Basse fréquence… • Interférences – Co-canal – Canal adjacent Co-canal Canal adj fréquence 05/12/2013 Tunisiana Confidential 19 Les composantes d’un site GSM 05/12/2013 Tunisiana Confidential 20 Les antennes 05/12/2013 Tunisiana Confidential 21 Les antennes Antenna 1/2 1/2 1/2 Connector Dipole 05/12/2013 Tunisiana Confidential 22 Les antennes cross polar (1) Connector - 45 Connector + 45 05/12/2013 Tunisiana Confidential 23 Les antennes cross polar (2) 05/12/2013 Tunisiana Confidential 24 Les antennes dual band 05/12/2013 Tunisiana Confidential 25 Les antennes 45° 05/12/2013 Tunisiana Confidential 26 Ouverture d’antenne 65° 90° 05/12/2013 Tunisiana Confidential 27 Azimut 110° 80° 05/12/2013 Tunisiana Confidential 28 Tilt +3° -3° 05/12/2013 Tunisiana Confidential 29 Tilt mécanique vs électrique • Tilt mécanique: – Variable – Altération du diagramme de gain (Pb: non tenue en compte au niveau des logiciels de planification!!) • Tilt électrique: – Conserve le diagramme de gain – Fixe  Antennes à tilt électrique variable 05/12/2013 Tunisiana Confidential 30 Effet terrasse 05/12/2013 Tunisiana Confidential 31 Les câbles (1) Référence du câble Diamètre Vitesse de propagation Attenuation db/100m 900 MHz Attenuation db/100m 1800 MHz CELLFLEX LCF 12-50 1/2” 0,88 7,04 9,91 CELLFLEX LCF 78-50 7/8” 0,88 4,01 5,73 CELLFLEX LCF 114-50 1 ¼” 0,88 3,34 4,91 CELLFLEX LCF 158-50 1 5/8” 0,88 2,42 3,56 05/12/2013 Tunisiana Confidential 32 Les câbles (2) Lorsque les impédances de l’antenne et du câble coax et connecteurs sont différentes, il apparaît sur la ligne des ondes stationnaires. Cette inadaptation peut s’exprimer de deux façons: • TOS (Taux d’Ondes Stationnaires) ou SWR (Stationay Wave Rate) • ROS (Rapport d’Ondes Stationnaires) ou VSWR (Voltage SWR) 05/12/2013 Tunisiana Confidential 33 Les câbles rayonnants • Limiter l’influence des trajets multiples et des effets de masques et affaiblissements rapides en assurant une couverture uniforme • Application: tunnel 05/12/2013 Tunisiana Confidential 34 Intermodulation • Phénomène faisant apparaître des fréquences non désirées à partir de fréquences d’entrée, causé généralement par des comportements non linéaires des composants NB: les mauvaises soudures, l’oxydation et les mauvais contacts (mauvais serrage des connecteurs) peuvent êtres à l’origines de comportements non linéaires 05/12/2013 Tunisiana Confidential 35 Intermodulation 05/12/2013 Tunisiana Confidential 36 Bilan de liaison • Principe: comptabiliser tous les gains et les pertes au niveau des émetteurs/récepteurs de façon à équilibrer les pertes admissibles dans les liens montant et descendant (uplink et downlink) Bilan équilibré Bilan déséquilibré 05/12/2013 Tunisiana Confidential 37 Amélioration de la couverture • Booster • REK • TMA (Tower mounted Amplifier) BTS Feeder Antenna Tx / Rx Duplexer Duplexer Tx Rx TMA 05/12/2013 Tunisiana Confidential 38 Architecture d’un réseau GSM 05/12/2013 Tunisiana Confidential 39 Architecture d’un réseau GSM (2) HLR = Home Location Register VLR = Visitor Location Register EIR= Equipement Identity Register MSC = Mobile Switching Centre Chaque Mobile Station (MS) comprend: -ME = Mobile Equipment -SIM = Subscriber Identity Module BSS = Base Station Sub-System BSC = Base Station Controller BTS = Base Transceiver Station 05/12/2013 Tunisiana Confidential 40 Le Mobile 05/12/2013 Tunisiana Confidential 41 Carte SIM et sécurité • La SIM est une carte à puce, capable de stocker des données, et de faire des calculs • Possède un compteur interne et un premier niveau de protection, le PIN • La carte SIM et la base de donnée d’abonnés du réseau d’origine (HLR) partagent un algorithme de cryptage secret Ki • Cette clé n’est jamais transmise par radio (AuC), et il est « impossible » d’y accéder dans la SIM 05/12/2013 Tunisiana Confidential 42 Authentification de l’abonnée • Algorithme A3 pour l’authentification • Algorithme A8 pour le chiffrement (génération de la clé Kc à partir de Ki) Signe HLR/AUC Nombre aléatoire = ? Accepté Ki RADIO Signe IMSI : Ki Refusé 05/12/2013 Tunisiana Confidential 43 La station de base (BTS) • Elle permet le dialogue avec le mobile sur l’interface Air: – Contrôle de la couche physique: transmission de la parole, transmission discontinue, ordres de contrôle de puissance et de handovers – Mesures des interférences sur les canaux non alloués à des communications (idle channels) – Mesures sur la liaison montante (uplink), servant à l'algorithme de décision du handover – Calcul du Timing Advance (avance de temps) pour la synchronisation temporelle, selon la distance qui sépare la BTS du mobile – Détection des demandes d'accès des mobiles reçus sur le canal de contrôle commun (RACH) – Détection des messages de handover access (HO ACCESS) 05/12/2013 Tunisiana Confidential 44 La station de base (BTS) TRE Abis coupling Abis radio Coupling Timing OMU TRE TRE Abis BCF 05/12/2013 Tunisiana Confidential 45 Liaison MS/BTS (interface Air) 124 3 2 1 … 124 3 2 1 … Uplink Downlink 890 MHz 915 MHz 935 MHz 960 MHz 200 kHz 05/12/2013 Tunisiana Confidential 46 Liaison MS/BTS (interface Air) • Bande/Opérateur 63 124 uploads/Ingenierie_Lourd/ introduction-aux-reseaux-gsm.pdf