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Architecture du GSM
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Architecture du GSM
Architecture du GSM
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Table des Matires
1.
Introduction.....................................................................................................................................................
3 2. Le MS
.................................................................................................................................................................
5 3. Le BSS
.............................................................................................................................................................
13 4. Le NSS
.............................................................................................................................................................
23 5. Le TMN
............................................................................................................................................................
29 6. Les
Interfaces................................................................................................................................................
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Architecture du GSM
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1. Introduction Le rseau GSM est dcoup en quatre sous-ensembles
:
le MS (Mobile Segment) est compos de terminaux portables,
le BSS (Base Station Subsystem) regroupe les quipements 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-systme
intelligent du BSS : gestion de la ressource radio, gestion des
mesures radios remontes des MS et des BTS et responsable de la
continuit de la communication.
le NSS (Network Switching Subsystem) regroupe les sous-systmes
qui assurent des fonctions du niveau rseau (routage,
interconnexion). On a :
Les bases de donnes HLR (Home Location Register). Ce sous-systme
peut tre considr comme la mmoire centralise du rseau contenant
toutes les informations relatives tous les abonns du PLMN.
Les VLR (Visitor Location Register) qui peuvent tre considrs
comme des mmoires temporaires affectes des zones gographiques et
contenant toutes les informations relatives aux abonns du PLMN
prsents sur la zone concerne.
Les commutateurs pour mobiles MSC (Mobile Switching Center)
assurent pour l'essentiel le routage et l'interconnexion avec le
RTCP (Rseau Tlphonique Commut Public).
le TMN (Telecommunication Management Network) regroupe les
sous-systmes qui assurent des fonctions de scurisation, de
supervision, de maintenance. On a :
L'EIR (Equipement Identity Register) est une base de donnes
annexe contenant lidentit des terminaux et permettant ainsi de
vrifier les droits daccs des terminaux accdant au rseau.
L'AUC (Authentification Centre) est une base de donnes utilise
pour lauthentification des abonns accdant au rseau.
Les OMC (Operation and Maintenance Center) assurent des
fonctions de configuration et de contrle distance.
Le NMC (Network Management Centre) qui assure des fonctions de
supervision du rseau.
Architecture du GSM
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AUCEIR
TMNNMCOMC
BSC
BSC
G-MSC
MSC
HLR
VLR
BTS
BTS
BTS
BSS
NSS
MSR
T
C
P
Structure du Rseau GSM
Notes :
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Architecture du GSM
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2. Le MS Dans le rseau GSM, le terminal mobile peut prendre
trois aspects :
Le tlphone 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 scind en deux parties :
Le combin tlphonique identifi par un numro unique : l'IMEI
(International Mobile Equipement Identity) qui est l'identit
internationale spcifique chaque combin. Cet identifiant permet
ventuellement via lEIR de contrler la prsence de mobiles
indsirables sur le rseau.
La carte SIM (Subscriber Identity Module) qui est gnralement de
la taille d'une carte de crdit (modle SIM ID-1) peut tre rduite la
puce seule (SIM plug-in). Elle contient :
des informations permanentes
Lidentification de la phase GSM de la carte : Phase I, II ou
II+. Lidentit de labonn au sein du rseau. Cest lIMSI (International
Mobile
Subscriber Identity) diffrent du numro de tlphone MSISDN (Mobile
Subscriber ISDN Number) de labonn.
Les caractristiques de labonnement : restrictions/permissions
Les mots de passe (code PIN (CHV1 et CHV2 : Card Holder
Verification #1/#2) et
PUK pour dbloquer (pas plus de 10 dblocages PUK) ainsi que les
compteurs de scurits associs.
Les algorithmes et les paramtres du chiffrement (A3, A8, A5, Ki)
mode SMS autoris Le MSISDN du mobile
des informations temporaires
Lidentit temporaire attribu par le rseau (TMSI : Temporary
Mobile Subscriber Identity)
La liste prfrentielle des frquences couter : cellule courante et
cellules voisines Identit de la cellule et de la zone de
localisation en cours La cl de chiffrement courante Kc
des informations de confort
Lenvironnement utilisateur (listes des numros abrgs, historiques
des appels, ...) les derniers SMS reus.
Cette dcoupe permet l'usager d'utiliser n'importe quel terminal
GSM car son identification complte est porte par la carte SIM.
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
C8
Alimentation
Reset
Horloge
Tension de Programmation
Entre / Sortie
Horloge fournie par le Terminal et comprise entre 1 et 5 Mhz
Dbit dchange typique entre SIM et MS: 9600 kbits/s changes toujours
initis par le MS ROM : typique 16 koctets [OS / Algos de
chiffrements / Applis spcifiques] EEPROM : typique 8koctets [donnes
permanentes et temporaires GSM et Applis] RAM : typique 100 octets
[donnes temporaires]
GSM
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+ +BatterieTerminal
B
a
t
t
e
r
i
e
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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Lidentifiant du terminal est lIMEI, cest un nombre cod sur 15
digits (1 digit = 4bits) contenant :
le TAC (Type Approval Code) : champ cod sur 6 digits fourni au
constructeur lorsque le matriel est agr.
le FAC (Final Assembly Code) sur 2 digits qui identifie lusine
de fabrication le SNR (Serial Number) sur 6 digits la libert du
constructeur 1 digit de rserve SP (Spare)
An phase 2+, lIMEI a t tendu 16 digits. Le digit SP et le
nouveau digit forment ainsi un nouveau champ de 2 digits dnomm SVN
(Software Version Number) permettant dindiquer la version du
logiciel du terminal. Ce nouvel IMEI sappelle alors lIMEISV pour
International Mobile Equipment Identity and Software Version
Number.
La norme dfinie de plus pour le terminaux plusieurs classes
suivant leur puissance maximale dmission. 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 tolrance de 2dB (de 0.6 1.6 en gain) est admise pour chaque
classe.
La puissance des MS dtermine la capacit qua le terminal rester
connect des stations de base loignes. Cela dtermine indirectement
la couverture du rseau radio. Cette puissance maximale admissible
nest utilise par le MS que lors du pire cas : loignement maximal de
la BTS courante. On cherche pour des raisons dconomie dnergie (dure
de vie de la batterie) ou de rduction des interfrences nutiliser
que le minimum de puissance ncessaire. Cette technique sappelle le
contrle de puissance. On peut de plus amliorer grandement ce bilan
de consommation en saidant dun VAD (Voice Activity Detector) qui
indique sil y a de la phonie transmettre et du mode DTX
(Discontinuous Transmission) qui permet de couper lmission quand il
ny a rien a mettre.
La majorit des terminaux GSM 900 vendus sont des terminaux de
classe 4 (2 W) et les terminaux monts demeure dans les vhicules
sont de classe 2 (8W). Pour le DCS 1800, les terminaux sont en
gnral de classe 1 (1 W). Le niveau minimal dmission est de 3mW en
GSM 900 et de 1mW en DCS 1800.
Un autre paramtre important du MS est sa sensibilit. Exprime en
dBm ( )1
(log101 10mW
wattenPdBm = )
cette grandeur est le niveau de champ minimum pour lequel le
terminal GSM doit encore tre capable de dmoduler et dcoder
correctement tout signal GSM. Pour des terminaux DCS 1800 la
sensibilit 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
APPR
OVED
IMEI
Notes :
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Constituants dun Mobile :
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Un petit mot sur les terminaux multi modes :
Etant donn la demande grandissante des systmes de radiotlphonies
actuels, qui souvent amnent saturation les rseaux, surtout dans les
zones grande densit de population, il a t ncessaire d'installer des
terminaux multistandard, capables de commuter entre des systmes qui
prsentent des frquences et des technologies digitales diffrentes,
ce qui assure l'abonn une meilleure libert de mouvement l'intrieur
de zones couvertes par un nombre plus important de rseaux.
Un terminal qui peut fonctionner sur deux rseaux differents,
peut tre dfini ainsi:
Multi Band, quand il utilise la mme technologie, mais des
frquences diffrentes. Par exemple, un terminal qui peut tre utilis
sur le rseau GSM 900 et sur le rseau DCS 1800 est du type dual
band. Dans les versions sophistiques du dual band cet aspect est
transparent lusager qui volue dans le rseau dot de zones couvertes
900 ou 1800 Mhz, le saut de frquence en frquence ntant quun des
paramtres du suivi de communications.
Multi Mode, quand il peut se connecter avec des rseaux
technologiquement differents ( travers l'emploi de standards de
transmission et/ou l'emploi d'une bande de frquence). L'exemple qui
illustre ce cas est le tlphone qui fonctionne soit sur des rseaux
terrestres que sur des rseaux satellitaires. Le terminal qui
associe les technologies GSM et DECT, se rvle particulirement
intressant car il permet l'abonn d'utiliser le roaming ainsi que le
rseau du service GSM sur la totalit 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 mme numro de tlphone du domicile
et du bureau, les caractristiques PABX, la trs grande qualit du
signal l'intrieur des btiments , les tarifs infrieurs ceux des
rseaux des radio-tlphones).
La commercialisation des premiers tlphones GSM dual band a
commenc aprs le Cebit '97 grce l'emploi de quelques tlphones
capables de fonctionner sur les rseaux GSM 900 et sur les rseaux
DCS 1800/PCS1900. Le PCS1900 est le standard employ par les USA qui
se sert de la mme technologie du GSM, mais utilise la bande du 1900
MHz. Les utilisateurs du GSM dual band GSM-PCS1900 pourront
effectuer le roaming aussi aux tats Unis, tout en gardant leur
carte SIM et leur numro.
Le GSM a permis de faire un grand pas dans la miniaturisation
durant ces dix dernires annes. Un peu lourds au lancement du GSM
les terminaux sont devenus plus lgers que lair, dsormais. La loi de
Moore aidant, des algorithmes de plus en plus complexes ont pu tre
intgr dans des volumes de plus en plus petits. En ce sens, GSM a t
lun des vecteurs dune volution technologique majeure qui aurait t
inluctable mais ne se serait sans doute pas pass si vite sil navait
pas exist.
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PCS 1900Autres Systmes:
UMTS, DECTGPS (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-systme est compos d'un ensemble d'metteurs / rcepteurs
radios. Ce type d'quipement assure l'interface entre les mobiles et
les structures fixes spcifiques au GSM. Ce sous-systme est en
charge :
de la gestion de linterface radio GSM :
gestion du TDMA : multiplexage temporel dordre 8 une porteuse
est divise en 8 slots).
capacit de grer les canaux Full Rate et Half Rate. gestion de
l'Antenna Diversity, autrement dit l'utilisation de deux antennes
de
rception afin d'amliorer la qualit du signal reu; les deux
antennes reoivent le mme signal, indpendamment l'une de
l'autre.
gestion du Frequency Hopping (FH): la variation de frquence
utilise dans un canal radio des intervalles rguliers, afin
d'amliorer la qualit du service travers la diversit dans la
frquence.
gestion du Discontinuous Transmission (DTX) aussi bien pour le
UL que pour le DL contrle dynamique de la puissance des MS et des
BTS: le BSC dtermine la puissance
optimale avec laquelle les MS et les BTS effectuent la
transmission sur le canal radio
des mesures radio permettant de vrifier la qualit du service
(mesures transmises directement au BSC)
des oprations de chiffrement de la gestion de la liaison de
donnes au niveau 2 (donnes de trafic et signalisation) entre
les
mobiles et les structures fixes BTS (assur par le protocole
LAPDm) de la gestion des liaisons de trafic et signalisation avec
le BSC (assur par le protocole LAPD).
La capacit maximale thorique d'une BTS est de 16 porteuses. Mais
on saccorde limiter le nombre de porteuses un maximum de 6. Le cas
typique est de 4 pour les zones urbaines (fortes concentrations
dabonns) et dune seule frquence pour une couverture en zone rurale.
Il faut distinguer les BTS dites normales et les micro-BTS. Ces
dernires sont utilises en zone urbaine dense principalement et sont
de taille plus faible et d'un cot moindre. Les puissances sont plus
faibles donc les portes plus limites. 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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Architecture du GSM
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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 dfini un niveau de sensibilit 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 primtre dinfluence dune BTS est appel cellule. Cette cellule
est plus ou moins tendue suivant :
la puissance nominale la densit dabonn de la zone couvrir
La taille maximale dune cellule GSM est typiquement de 35 km :
cest une limitation physique impose par les choix faits au niveau
de linterface radio. [On peut monter 70 km dans une version modifie
de linterface radio qui nest pas dcrite dans la norme mais propose
par bon nombre de constructeurs]. Rduire le rayon daction dune BTS
est un choix de loprateur afin de densifier le rseau et de garantir
une forte densit dabonns une connexion radio. Suivant le cas les
cellules auront de 1 10km de rayon. Pour des micros ou pico
cellules on aura des cellules infrieures 1km de porte (100m pour le
cas des picos).
Un site radio peut tre constitu de plusieurs BTS (on parle alors
de BTS multi secteurs). Les cas typiques sont :
site omni sectoriel : adapt au cas rural site bi sectoriel :
frquent sur les autoroutes sites tri sectoriel ou hexa sectoriel :
pour le cas urbain.
On trouvera pour chacun des secteurs une configuration
antennaire particulire : 1 antenne en mission/rception et une
supplmentaire en rception (pour la diversit dordre 2) avec des
diagrammes dantenne adapts la configuration du site [Ainsi pour un
site hexa sectoriel on va avoir 12 antennes au total].
Architecture du GSM
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Notes :
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Architecture du GSM
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Quelques exemples de configurations antennaires, avec les
diagrammes dantennes associs:
TRI OMNI BI
Enfin les BTS peuvent tre soit ddies lenvironnement extrieur
(outdoor) soit au milieu indoor et places dans des locaux
techniques avec un dport antennaire adquat.
BTS Outdoor BTS Indoor
Architecture du GSM
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Des BTS diffrentes pour couvrir lespace(tir du Journal des
Abonns Itinris 4eme Trim. 98)
Notes :
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Architecture du GSM
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Le Base Station Controller (BSC)
Le BSC est l'organe intelligent du BSS. Ces fonctions sont
multiples. Cot radio il va soccuper :
de lallocation des canaux radio de la collecte des mesures
radios remontes par les BTS et les MS du contrle des puissances
d'mission des MS et des BTS de garantir la continuit de la
communication en cas de changement de cellule du MS : gestion
complte du handover.
Cot rseau fixe il va assurer :
la connexion des communications vers le MSC auquel il est
raccord la gestion de la signalisation avec ce MSC.
Dun point de vue connectique le BSC est reli aux BTS soit par
connexions filaires (liens MICs) soit par Faisceaux Hertziens (FH).
La topologie du maillage BSC-BTS est riche. On peut avoir
diffrentes formes :
en Etoile (star) en Chane (chain) ou Reboucle (loop)
La capacit de connexion dun BSC est variable. Pour une ville
comme Paris on trouve 150 BTS gres par 12 BSCs. Mais pour un BSC il
vaut mieux raisonner en capacit de communication. On tablit cette
capacit en Erlang.
LErlang est dfini par le nombre moyen de ressources occupes
durant une priode dobservation donne. On utilise en gnral lheure de
pointe et on regarde pour une population donne dabonns ayant un
comportement statistique connu (loi de Poisson) combien de
ressources sont ncessaire pour satisfaire un pourcentage important
de la population vise (le pourcentage dinsatisfait est le taux de
blocage) ou pour garantir un dlai dattente. Pour un rseau tel que
GSM on considre quun abonn moyen communique en moyenne lheure de
pointe 90 secondes. Il monopolise donc 1 ressource pendant 1/40 eme
du temps. Il vaut 25mErl.
Pour couler un trafic total de N abonns GSM (T = N/40 Erl) on
saidera des tables dErlang (A : dure dattente ou B : taux de
blocage suivant le cas) pour connatre le nombre de ressources
ncessaires. En GSM on fixe en gnral le taux de blocage 2%.
Suivant les constructeurs on trouvera deux approches :
BSC de faible capacit (< 100 Erlang) pour les zones rurales
BSC de grande capacit (~1000 Erlang) pour les cas urbains.
Pour fixer les ides en terme de nombre de ressources physiques
ncessaires pour couler le trafic dsir (exprim en Erlang), il suffit
de se pencher sur les tables dErlang adquates (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 coul par 4 ressources physiques Trafic de 10
Erlangs coul par 16 ressources physiques Trafic de 100 Erlangs coul
par 112 ressources physiques Trafic de 1000 Erlangs coul par 1010
ressources physiques
Pour le cas du GSM, ce trafic coul T correspond un nombre
dabonns N = 40*T (le comportement de labonn moyen est estim
25mErl).
Architecture du GSM
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STAR Connection
CHAIN Connection
LOOP Connection
BSC
Notes :
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Architecture du GSM
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La norme GSM prcise que les fonctions de codage/dcodage de
parole et dadaptation de dbit pour les services de donnes circuit
(9600, 4800, 2400, 1200 bits/s) doivent tre assures par le BSS. Par
contre la norme ne prcise pas ou cette fonctionnalit appele TRAU
(Transcoder and Rate Adaptation Unit) doit tre implante. Ce choix
est laiss la libert du constructeur dinfrastructure. On a comme
possibilits :
la BTS au BSC dans un quipement annexe plac au niveau du BSC et
appel TCU (Transcoder Unit)
Pour les premiers rseaux GSM les fonctions de TRAU furent places
au niveau des BTS mais avec lessor du GSM elles migrrent vers le
BSC. Certains constructeurs prfrant les implanter dans le BSC
tandis que dautres ont choisi de les placer dans un quipement
annexe (TCU) compagnon du BSC. Lexplication de ce choix est
essentiellement conomique. Pour schmatiser il faut se rappeler que
le codeur de parole du GSM comprime la parole claire, classiquement
transporte sur des rseaux fixes par des circuits de 64 kbits/s, en
des flux de 13 kbits/s. Ce codeur est plac cot MS mais aussi cot
rseau. Le flux de parole comprime est transport au niveau radio sur
des canaux de dbit maximum de 22.8 kbits/s. Au niveau terrestre on
a la possibilit de transporter les flux de data ou de parole dans
des tuyaux de 8, 16, 32 ou 64 kbits/s. Si lon place le dcodeur de
parole la BTS, on a alors besoin de transporter ds la BTS de la
parole dcompresse 64 kbits/s. Pour N communications de phonie on a
besoin alors de N liens 64 kbits/s.
Si lon place le dcodeur de parole du cot du BSC (dans un TCU ou
dans le BSC) le transport du flux comprim 13 kbits/s se poursuit
jusquau BSC. Pour le transporter entre BTS et BSC on a besoin alors
de tuyaux 16 kbits/s par communications. Ainsi pour N
communications on a besoin dsormais de N liens 16 kbits/s soit N/4
liens 64 kbits/s. Quand on sait que les oprateurs de rseaux GSM ne
sont pas toujours propritaires des liens de communications entre
leurs infrastructures et notamment ceux entre BTS et BSC et que la
location de tuyaux 64 kbits/s est chre, il convient de mettre en
uvre des solutions pour baisser le cot de cette location.
BSC BTS (Trau)
MS (Cod/Dec)
MS (Cod/Dec)
MS (Cod/Dec)
MS (Cod/Dec)
N liens 64 kbits/s
BSC BTS (Trau)
MS (Cod/Dec)
MS (Cod/Dec)
MS (Cod/Dec)
MS (Cod/Dec)
N/4 liens 64 kbits/s
Architecture du GSM
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TRAU dans le BSS
BSC TRAU MSC
BTSMS
Interface Airvoix 13 kbit/s sur
canaux 22.8 kbit/s
Interface Abisvoix 13 kbit/s sur canaux 16 kbit/s
Interface Atervoix 13 kbits/s sur
canaux 16 kbits/s
Interface Avoix 64 kbits/s sur
canaux 64 kbits/s
Notes :
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Architecture du GSM
23
4. Le NSS
Dans le NSS on distingue :
Le Mobile services Switching Center (MSC)
Appel aussi centre de communication des mobiles ou encore
commutateur du service mobile, il gre l'tablissement des
communications entre un mobile et un autre MSC, la transmission des
messages courts. Il assure l'excution du handover lorsquil y est
impliqu et est en dialogue permanent avec le VLR.
Dans certains cas MSC et VLR sont runis sur un mme matriel.
Un ensemble MSC/VLR peut grer environ une centaine de milliers
d'abonns pour un trafic moyen par abonn de 0,025 Erlang.
Les MSC sont en gnral des commutateurs de transit du rseau
tlphonique sur lesquels ont t implantes des fonctions spcifiques au
rseau GSM.
Le Mobile Switching Centre (MSC) est l'lment central du NSS. Il
gre grce aux informations reues par le HLR et le VLR, lacheminement
et la gestion du codage de tous les appels destination ou en
provenance de differents types de rseau tels que PSTN (Rseau
tlphonique commut public), ISDN (rseau RNSI), PLMN (autres
oprateurs GSM) et PDN (Rseaux data mode paquet TransPac).
Il est Gateway (G-MSC) lorsque son rle consiste relier le PLMN
au monde extrieur (PSTN)
Le Home Location Register (HLR)
Le HLR (ou enregistreur de localisation nominal) est la base de
donnes qui gre les abonns d'un PLMN donn. Il mmorise deux types
dinformation :
o Les donnes permanentes rentres par loprateur partir du systme
dexploitation du rseau et variant peu au cours du temps : lIMSI, le
MSISDN, le profil d'abonnement (services supplmentaires autoriss,
droits et restrictions, ... ).
o Les donnes dynamiques associ ltat courant du MS dans le rseau
: le numro de la base de donnes de localisation dans laquelle se
trouve l'abonn (MSC/VLR), ltat dactivit du MS (On/Off).
Ces diffrentes informations sont :
o Soit centralises sur une machine ddie qui peut alors grer
plusieurs milliers d'abonns ;
o Soit dportes sur les MSC ce qui est souvent le cas en pratique
: ainsi un abonn se trouve physiquement enregistr sur lquipement
vers lequel il communique prfrentiellement (MSC de son lieu
dhabitation). La signalisation sen trouve ainsi rduite.
Un abonn est associ un HLR unique. Ce HLR est identifiable via
le MSISDN ou lIMSI de labonn.
Le Visitor Location Register (VLR)
Le Visitor Location Register (VLR) est une base de donnes qui
mmorise de faon temporaire les donnes concernant tous les abonns
qui appartiennent la surface gographique qu'elle contrle. Ces
donnes sont rclames au HLR auquel l'abonn appartient.
Gnralement pour simplifier la structure du systme, les
constructeurs installent le VLR et le MSC cte cte, de telle sorte
que la surface gographique contrle par le MSC et celle contrle par
le VLR correspondent. Ainsi on parle plus de lentit globale MSC/VLR
plutt que sparment des deux quipements.
Architecture du GSM
24
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
HLRVLR
EIR
SMS-SCServeur de Facturation
Serveur de Facturation
Le NSS
Notes :
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Architecture du GSM
25
Certaines proprits du MSC/VLR sont fondamentales pour garantir
la scurit :
o L'authentification de l'auteur de l'appel est initie par le
MSC/VLR. Il sappuiera sur lAUC (via HLR) pour russir cela.
o Lattribution rgulire aux MS didentits temporaires TMSI
(Temporary Mobile Subscriber Identity) afin de limiter lutilisation
de lidentit absolue de lusager IMSI est rgie par le MSC/VLR.
et pour suivre lvolution des MS au sein du rseau :
o lorsque le MS est en veille et quil change de cellule il doit
parfois (lorsque la cellule nappartient plus la mme zone de
localisation que la prcdente) avertir le MSC/VLR de ce
changement.
o lorsque le MS est en communication et que sa mobilit loblige
changer de cellule alors, le BSC est l pour excuter ce changement.
Cela reste simple si la nouvelle cellule est gre par le mme BSC que
la cellule courante. Dans le cas contraire le MSC/VLR doit jouer un
rle moteur.
Les informations prsentes au sein du VLR sont :
o Le Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI), il est employ
comme garant de la scurit du IMSI, et il peut tre attribu chaque
requte du MS vers le rseau.
o Ltat du MS (en veille, occup, teint)
o L'tat des services complmentaires comme Call Waiting, Call
Barring, etc.
o Les types de services auxquels l'abonn a souscrit et auxquels
il a droit d'accs (voix, service de donnes, SMS, d'autres services
auxiliaires).
o La Location Area Identity (LAI) contrle par le MSC/VLR et dans
laquelle le MS se trouve.
o Les informations permettant lauthentification et le
chiffrement avec le MS concern.
On associe souvent au NSS les quipements suivants bien quils
soient thoriquement placs dans le TMN :
LEIR est une base de donnes annexe qui contient les identits des
terminaux (IMEI) et surtout une liste blanche avec les terminaux
autoriss fonctionner sur le rseau. Si le terminal n'est pas
autoris, parce qu'il perturbe le rseau ou que son utilisation est
frauduleuse, on peut alors remonter l'identit de l'abonn (IMSI).
Des liens entre EIR sont courants pour passer d'un PLMN un autre.
Pourtant, aujourd'hui, faute d'accord entre les oprateurs, les EIR
ne sont souvent pas utiliss. La base de donnes est divise en trois
sections:
White List: contient tous les IMEI attribus tous les oprateurs
des differents pays avec lesquels on a des accords de roaming
international.
Black List: stocke tous les IMEI qui sont censs tre bloqus (par
exemple ceux qui ont t vols).
Grey List: contient tous les IMEI dsigns comme faulty en faute
ou bien ceux qui dsignent des tlphones non homologus. Les terminaux
insrs dans la Grey List sont signals aux oprateurs du systme l'aide
d'une alarme quand ils demandent l'accs, ce qui permet
l'identification de l'abonn qui utilise le terminal et celle de la
zone d'appel o ce dernier est situ.
Architecture du GSM
26
La hirarchisation du rseau 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 :
-
Architecture du GSM
27
A chaque tentative de connexion du MS avec le rseau, le MSC/VLR
l'aide de lEIR, avant d'autoriser ou de refuser l'accs, vrifie la
prsence d'un des cas suivants:
o Le terminal a t homologu pour la connexion avec un rseau GSM o
Le terminal n'a pas t vol ou utilis abusivement o Le terminal n'a
pas t dsign comme faulty
L'EIR peut tre unique pour l'ensemble du systme ou peut tre plac
dans une configuration distribue. Il peut tre colocalis au couple
HLR / AUC, mais gnralement on prfre le placer dans un quipement
diffrent pour des raisons de scurit.
Il est facilement accessible pour permettre la mise jour des
diffrentes listes qu'il contient, partir de tous les sites du
rseau. On prvoit de raliser, dans le futur, la connexion entre tous
les EIR des differents oprateurs GSM, dans le souci d'empcher
l'utilisation d'appareils vols dans des pays autres que ceux o le
vol a t commis.
Le centre d'authentification AUC est une fonction du systme
fournissant au MSC/VLR via HLR les informations permettant
lauthentification de labonn (paramtres SRES et Rand) et le
chiffrement du trafic (paramtres Kc). Le triplet (SRES, Rand, Kc)
est appel triplet de chiffrement. Cest ce triplet qui est prsent au
sein du VLR. Afin doptimiser les changes avec AUC, le MSC/VLR
demande plusieurs triplets de chiffrement (typique 5) pour avoir
une marge. Via lIMSI, lAUC possde pour chaque abonn une cl secrte
(cl Ki) qui est galement prsente cot MS dans la SIM. Les
algorithmes permettant de gnrer les triplets de chiffrement
utilisent cette cl secrte comme paramtre dentre. A chaque
transaction du MS (appel, mise jour de localisation) une
authentification est ralise. LAUC ne communique quavec le HLR. Ces
deux entits peuvent tre colocalises dans un mme quipement.
le SMSC dont on parle dans le chapitre relatif aux services.
Architecture du GSM
28
EIR & AUC
EIR
Liste Noire
Liste Grise(MS douteux)
MS OK
Mobile
IMEI
Triplet de Chiffrement
SRES, Kc, RAND
Requte HLR
AUC
AlgorithmesA3, A8
Ki RAND
AUC fournit
IMSI
Notes :
-
Architecture du GSM
29
5. Le TMN Ladministration des premiers rseaux de
tlcommunications se faisait individuellement en connectant
directement une console de maintenance lquipement concern. On a
cherch amliorer tout cela en cherchant dporter ladministration du
rseau.
Cette administration a pour but d'offrir un certain niveau de
qualit aux usagers. Ce travail comprend l'administration
commerciale (facturation, statistiques, gestion des
abonnements...), la gestion de la scurit, la gestion des
performances, la configuration du systme et la maintenance de
l'quipement. Malgr la complexit des lments administrer, il est
indispensable de fournir une interface conviviale et normalise
(reprsentation graphique des charges, histogrammes, etc.). Il est
donc ncessaire d'incorporer des lments de mdiation entre le rseau
et le systme d'exploitation. L'ensemble de ces lments forme le
TMN.
La complexit des rseaux GSM entrane une organisation prcise pour
leur maintenance. Les OMC sont proches du rseau : les OMC-R vont
superviser les BSS (BTS/BSC/TCU) sur diffrentes zones et les OMC-S
vont soccuper 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 claircir les choses, le NMC correspond au systme
d'exploitation du TMN et les OMC assurent les fonctions de
mdiation.
Operation and Maintenance Centre
Le centre dopration et maintenance possde les fonctions
suivantes:
o L'accs distance tous les lments qui composent le rseau GSM
(BSS, MSC, VLR, HLR, EIR et AUC).
o La gestion des alertes et de l'tat du systme avec la
possibilit d'effectuer diffrentes sortes de test permettant
l'analyse des prestations et la surveillance de la qualit de
fonctionnement de ce dernier.
o Le stockage de toutes les donnes relatives au trafic des
abonns, ncessaires la facturation.
o La supervision du flux du trafic dans les centrales et
l'introduction de changements ventuels dans le mme flux.
o La visualisation de la configuration du rseau avec la
possibilit d'effectuer des changements partir d'endroits
loigns.
o La gestion des abonns et la possibilit de localiser leurs
positions l'intrieur de l'aire de couverture.
Pour la facturation les choses sont relativement simples. Chaque
MSC gnre un CDR (Charging Detail Record) qui est une sorte de
quittance lectronique mise chaque utilisation de service par un
abonn. On trouve sur ce CDR le n de lappelant, le n de lappel, la
dure de lappel, les numros des cellules utilises, la date, lheure,
le n IMSI, le n IMEI, le type dappel (entrant/sortant), le type de
service (voix/donnes/SMS).
Le CCBS (Customer Care and Billing System) cur du systme de
facturation possde pour chaque abonn un compte de facturation. Il
est situ au niveau de lexploitation du rseau et sappuie sur les
organes de mdiations (OMC-B) pour rapatrier rgulirement depuis les
MSC les CDR. Ces derniers donc permettent la facturation clients
par clients.
Architecture du GSM
30
TMNNetwork
ManagementCenter (NMC)
ManagementCommercial
OMC-S OMC-R OMC-R OMC-S OMC-R OMC-R
O & M Rseau de CommunicationX.25
HLR MSC
BSS
Niveau 1
Niveau 2: Rseaux de donnes
Niveau 4Exploitation
Niveau 3: Mdiation
X-terminal
X-terminal
Q3 Q3: interface propritaire
BSS
Notes :
-
Architecture du GSM
31
6. Les Interfaces
Certaines normes concernant les interfaces entre les composants
du rseau ne sont pas toujours respectes (cf. interface B du
tableau) car les deux lments se trouvant sur un mme PLMN, des
accords sont parfois pris en interne. Par contre, d'autres (cf.
interface D du tableau) concernant les interfaces entre deux lments
de PLMN diffrents sont ncessairement respectes pour permettre
l'itinrance 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'abonns et de
localisation
D VLR -- HLR Services supplmentaires
E MSC -- SM-GMSC Transport des messages courts
E MSC -- MSC Excution des handover
G VLR -- VLR Gestion des informations d'abonns
F MSC -- EIR Vrification de l'identit du terminal
B MSC -- VLR Divers
H HLR -- AUC Echange des donnes d'authentification
Liste des interfaces dans un systme GSM
Ces interfaces sont physiquement supportes par des liens MICs.
Quest-ce quun lien MIC ?
MIC pour modulation par impulsions codes ou PCM (Pulse Code
Modulation) en anglais. Cet acronyme dsigne la fois le codeur de
parole G711 normalis en 1970 par lITU et comprimant la voix en vue
dtre transporte sur un RTCP numrique et la structure du lien
numrique permettant de transporter la voix. Ici on va dtailler ce
quest un lien MIC. Cest un lien unidirectionnel numrique permettant
de relier un quipement A un quipement B en structurant le transfert
des informations suivant un multiplex temporel.
Il possde deux structures possibles : La structure dite E1
dveloppe en Europe et celle dite T1 utilise au Japon et aux USA.
Nous dtaillons dans un premier temps la structure E1.
Prenons deux liens de transmission :
un est ddi au transfert dune horloge de A vers B lautre est ddi
au transfert dinformation.
Lhorloge choisie en MIC E1 est 2.048 Mhz. Ce choix nest pas
anodin. En effet cette structure de transmission a t initialement
pense pour transporter de la parole compresse 64 kbits/s dans les
RTCP. Ce codage de parole produit des chantillons de parole raison
de 8 bits toutes les 125 s. Sachant que lon souhaite avoir un lien
permettant de multiplexer plusieurs utilisateurs entre eux on a
alors sur ce lien la possibilit davoir plus dun canal 64 kbits/s.
Le lien E1 permet un multiplex de 32 utilisateurs potentiels.
Architecture du GSM
32
Notes :
-
Architecture du GSM
33
Pour E1 on a 32 intervalles de temps (IT) de 8 bits chacun, qui
scoulent en 125 s. Soit donc un rythme global de 2.048 Mbits/s.
Ces 32 IT numrotes de 0 31 permettent de multiplexer sur un mme
lien 30 utilisateurs diffrents utilisant un canal de 64 kbits/s.
Deux IT sont rserves pour la signalisation :
L'IT 0 des trames impaires contient un lment de synchronisation
appel 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
rserve aux utilisateurs).
La norme G732 dcrit la structure du MIC E1.
Aux US et au Japon une autre structure a t choisie : le MIC T1.
On retrouve les mme fondements : un multiplex de N*8 bits toutes
les 125 s. Mais les choix savrent diffrents. On a choisi de
multiplexer 24 canaux (soit 24*8 = 192 bits) et dajouter 1 bit
supplmentaire la trame pour la synchronisation (alternance de 1 et
de 0). Dans la structure T1, la signalisation est effectue dans la
bande : certaines IT pouvant contenir 7 bits d'information + 1 bit
indiquant le type d'information transporte (donnes utilisateur ou
signalisation). Dans la norme G733 dcrivant le multiplex T1: chaque
IT d'une voie contient 8 bits de donnes durant 5 trames et 7 bits
de donnes et 1 bit de signalisation dans la trame qui suit (cette
signalisation dans la bande est appele aussi signalisation par vol
de bit). Lhorloge de transmission du MIC T1 est alors 1.544
Mbits/s.
Les multiplexs (T1 ou E1) dcrits prcdemment peuvent tre leur
tour multiplexs selon une hirarchie appele hirarchie numrique
plsiochrone ou PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy). Comme pour
les multiplexs primaires, il existe des diffrences dans les
multiplexs de niveaux suprieurs entre l'Europe, les Etats-Unis et
le Japon.
En Europe, chaque multiplex combine les trames issues des 4
systmes (appels affluents) dordre infrieur: 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 diffrent: 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 dbit d'un multiplex est suprieur la
somme des dbits des multiplex de niveau infrieur. Cela est du au
fait que des bits de bourrage (appels bits de justification
positive) sont rajouts pour pallier aux diffrences de rythme des
diffrents affluents. Cela permet de rendre synchrones les voies
plsiochrones.
Architecture du GSM
34
MICs
Notes :