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Réseaux Mobiles
GSM-GPRS
Dr MOUGHIT Mohamed
Professeur à l’Ecole National des Sciences Appliquées de Khouribga
Université Sultan Mouly Slimane
m.moughit@gmail.com
Réseaux Mobiles 1
Réseaux Mobiles 2
Historique de la téléphonie Mobile
Présentation du Réseau GSM
Objectifs GSM
Motifs de déploiements de cellule
Avantages du GSM
Infrastructure d’un réseau GSM
Sous système Radio
Sous système Réseaux
Spécification de la norme GSM
Structure en couche du réseau GSM
Procédure de mise à jour de
localisation
Gestion de la mobilité
Type de Handover
Structure de trame GSM
GPRS: Objectifs et présentation
Architecture du GPRS
Généralités UMTS
Architecture de l’UMTS
Les spécifications UMTS
Sommaire
Le GSM est un réseau cellulaire qui permet l’établissement
de communication entre :
• Clients Mobiles – Mobiles
• Clients Mobiles – Fixes
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Présentation du Réseau GSM
Réseaux Mobiles 3
GSM: Réseau Cellulaire
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Un réseau GSM est formé par plusieurs cellules pour pouvoir couvrir toute une
nation: On dit que le GSM est un réseau cellulaire
GSM: Réseau Cellulaire
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cellule
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Les cellules se représente théoriquement sous forme d’hexagone
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  • 1. Réseaux Mobiles GSM-GPRS Dr MOUGHIT Mohamed Professeur à l’Ecole National des Sciences Appliquées de Khouribga Université Sultan Mouly Slimane m.moughit@gmail.com Réseaux Mobiles 1
  • 2. Réseaux Mobiles 2 Historique de la téléphonie Mobile Présentation du Réseau GSM Objectifs GSM Motifs de déploiements de cellule Avantages du GSM Infrastructure d’un réseau GSM Sous système Radio Sous système Réseaux Spécification de la norme GSM Structure en couche du réseau GSM Procédure de mise à jour de localisation Gestion de la mobilité Type de Handover Structure de trame GSM GPRS: Objectifs et présentation Architecture du GPRS Généralités UMTS Architecture de l’UMTS Les spécifications UMTS Sommaire
  • 3. Le GSM est un réseau cellulaire qui permet l’établissement de communication entre : • Clients Mobiles – Mobiles • Clients Mobiles – Fixes • Clients Fixes – mobiles Présentation du Réseau GSM Réseaux Mobiles 3
  • 4. GSM: Réseau Cellulaire Réseaux Mobiles 4 Un réseau GSM est formé par plusieurs cellules pour pouvoir couvrir toute une nation: On dit que le GSM est un réseau cellulaire
  • 5. GSM: Réseau Cellulaire Réseaux Mobiles 5 Couverture de 360° d’une cellule
  • 6. GSM: Réseau Cellulaire Réseaux Mobiles 6 Les cellules se représente théoriquement sous forme d’hexagone
  • 7. GSM: Réseau Cellulaire Réseaux Mobiles 7 Couverture théorique Couverture réelle
  • 8. Motifs de déploiements de cellule • Mobilité sur une grande surface Réseaux Mobiles 8
  • 9. Motifs de déploiements de cellule • Redéploiement des fréquences Réseaux Mobiles 9
  • 10. Motifs de déploiements de cellule • Permettre un grand nombre d’appels simultanément Réseaux Mobiles 10
  • 11. Motifs de déploiements de cellule • Réduire l’énergie Réseaux Mobiles 11
  • 12. Réutilisation de fréquence dans un réseau GSM Réseaux Mobiles 12 On appelle distance de réutilisation la distance entre les cellules co-canales, telles qu’illustrées à la figure suivante : On démontre qu’un motif ayant un nombre de fréquences données est optimal s’il est régulier, c’est-à-dire s’il est invariant par un symétrie ou une rotation de 120°. Dans ce cas, la taille du motif N vérifie la relation: N = i2 + ij + j2
  • 13. Motifs de déploiements de cellule Réseaux Mobiles 13 Le nombre N de cellule dans un motif est résumé par le tableau suivant i/j 1 2 3 4 1 3 7 13 21 2 7 12 19 28 3 13 19 27 37 4 21 28 37 48
  • 14. Motifs de déploiements de cellule Réseaux Mobiles 14 On appelle Q=D/R le facteur de réutilisation, où D est la distance entre 2 cellules co-canales, et R est le rayon d’une cellule
  • 15. Motifs de déploiements de cellule Réseaux Mobiles 15
  • 16. Motifs de déploiements de cellule Réseaux Mobiles 16 Exercice d’application: L’ANRT a attribué à un opérateur 480 fréquences à déployer sur tout son réseau. Cet opérateur souhaite déployer des cellules de rayon 100m qu’il rassemble en motif dont la distance de réutilisation est de 700m. Déterminer le nombre de fréquence que l’opérateur peut affecter à chaque cellule.
  • 17. Historique de la téléphonie Mobile • En 1971: Apparition pour la première fois du concept de radio téléphonie cellulaire par Bell System, • En 1978: Premier réseau de radiotéléphonie analogique cellulaire AMPS à Chicago • En 1979 lors de la Conférence Administrative Mondiale des Radios Télécommunications(WARC), la décision d’ouvrir une bande aux alentours des 900 Mhz a été adoptée. • Début 80: Utilisation des différents systèmes de la téléphonie mobile  Incompatibilité • Nouveau besoin: Service des télécommunications communs • En 1982 : la C.E.P.T ( Conférence européenne des Postes et Télécommunications ) crée le Groupe Spécial Mobile afin de définir les spécifications de la seconde génération de radiotéléphonie cellulaire. En outre, on réserve deux bandes de 25 Mhz ( 890-915 Mhz et 935-960 Mhz ) dans lesquelles le système devra œuvrer. Réseaux Mobiles 17
  • 18. • En 1987, le G.S.M fixe les options techniques majeures pour les normes de radio télécommunication avec les mobiles : • Bonne qualité de la voix • Transmission numérique. • Utilisation optimale des fréquences Radio • Compatibilité avec les réseaux publics • Grande capacité d’adaptation et l’évolution vers les services à valeur ajoutée • Multiplexage temporel des canaux radio. • Cryptage des informations sur le canal radio. • Codage de la parole à débit réduit. Historique de la téléphonie Mobile Réseaux Mobiles 18
  • 19. •En 1992, GSM devient « Global System for Mobile Communication ». •En 1994, Bouygues Télécoms a été sélectionné pour déployer un réseau DCS (digital Cellular System) dans les grandes villes françaises, et a été dans l’obligation de couvrir 15  de la population française en 18 mois. • En 1994, démarrage du GSM au MAROC •En 1995, la phase 2 des recommandations GSM est entièrement publiée. Elle unifie les systèmes GSM 900 Mhz et DCS 1800. Historique de la téléphonie Mobile Réseaux Mobiles 19
  • 20. EXEMLPE DE SYSTEMES CELLULAIRES SYSTEME ANNEE FREQ. MHZ PAYS AMPS 1978 800 USA NMT 1981 450 NORVEGE,SUEDE DENMARK,FR. RADIOCOM 2000 1985 400 FRANCE C450 1986 450 Allemagne GSM 1992 900 EUROPE Réseaux Mobiles 20
  • 21. 900MHz Voix 1G 900MHz 1800MHz Voix SMS GSM-IS95 2G 900-1800- 1900MHz Voix, Vidéo, données UMTS CDMA200 3G 2000 900-1800MHz Voix , Données GPRS 2.5G From: To: Mess 12 kb/s 170 1000 Vers tout IP LTE, Wimax 4G Évolution des Réseaux Mobiles Réseaux Mobiles 21 5G IoT
  • 22. Evolution des réseaux Mobiles Réseaux Mobiles 22
  • 23. Evolution des réseaux Mobiles Réseaux Mobiles 23 Fixed-telephone subscriptionsaphique (en million)
  • 24. Evolution des réseaux Mobiles Réseaux Mobiles 24 Mobile-cellular telephone subscriptions (Million)
  • 25. Evolution des réseaux Mobiles Réseaux Mobiles 25 Mobile-cellular telephone subscriptions (Million)
  • 26. Evolution des réseaux Mobiles Réseaux Mobiles 26 Active mobile-broadband subscriptions (Million)
  • 27. Evolution des réseaux Mobiles Réseaux Mobiles 27
  • 28. Evolution des réseaux Mobiles Réseaux Mobiles 28 Fixed broadband subscriptions
  • 29. Evolution des réseaux Mobiles Réseaux Mobiles 29 Fixed broadband subscriptions
  • 30. Avantages standard: • Réseau international • Système ouvert • Roaming • Mobilité Avantages numériques: • Une très grande résistance aux interférences (Lecture sur front descendant ou montant de l’horloge+ algoritme de correction) • Sécurité de la transmission (cryptage, hachage, signature numérique, authentification…) • Multiplexage Avantages du GSM Réseaux Mobiles 30
  • 31. Réseaux Mobiles 31 Services GSM Service de base • Appelé/ être appelé indépendamment de sa localisation • Maintenir un appel en cours lors d’un déplacement Services supplémentaires • Conférences • Appel en attente • Renvoi d’appel • Message vocal…. Interopérabilité des équipements et des opérateurs Robustesse du codage de la voix Sécurité
  • 32. Bandes de fréquences utilisées par la norme GSM : 890 – 915 Mhz (voies montantes) 935 – 960 Mhz (voies descendantes) Bandes GSM Réseaux Mobiles 32
  • 35. Réseaux Mobiles 35 Bande GSM 890 915 935 Tx 960 Rx f(MHz) Chaque Bande est divisée en canaux de 200khz Bandes GSM 890 890,2 890,4…….. 915 CH0CH1 CHi 935 935,2 935,4…….. 960 CH0 CH1 CHi
  • 36. Réseaux Mobiles 36 890 Fréquence(MHz) 200KHz Amplitude Temps R1 T1 577µs 935 890 935 T1 4.61ms T8 200KHz Time division multiple access (TDMA) Ecart duplex 45MHz Bandes GSM
  • 37. Réseaux Mobiles 37 577µs Fréquence(MHz) 4.615ms Trame TDMA 0 1 2 3 4 5 6 7 890.4 890.6 890.8 891.0 Temps F D M A Bandes GSM Trame TDMA
  • 38. Réseaux Mobiles 38 Bandes GSM L’émission et la reception sont séparées de 3IT
  • 39. Réseaux Mobiles 39 Architecture de base d’un réseau GSM
  • 40. Réseaux Mobiles 40 Architecture de base d’un réseau GSM
  • 41. Les équipements que l’on trouve sont les suivants: • MS( Mobile Station): poste client • BTS (Base Tranceiver Station) • Le BSC ( Base Station Controller) • MSC (Mobile-services Switching Center) • HLR (Home Location Register) • VLR ( Visitor Location Register) • EIR (Equipement ldentity Register) • AUC (Autentication Center) • OMC (Operating and Maintenance center) Equipements fonctionnels d’un réseau GSM Réseaux Mobiles 41
  • 43. MS ME SIM ME Architecture de la station mobile Réseaux Mobiles 43
  • 44. Module d’interface utilisateur SIM Microphone Ecouteur Clavier CAN Module traitement CPU DSP Codec Module radio Mod./Dém RF E./R. Power Ampli LCD Architecture de la station mobile 16:00 SALAM Réseaux Mobiles 44
  • 45. Réseaux Mobiles 45 3G • Codage de La parole • Cryptage de la voix • Algorithmes de modulation • Annulation d’echo • Annulation de Bruit • Décodage MP3 • Connaissance automatique de la voix • Synthèse de la voix • Compression d’image 1G 2G DSP = digital signal processing Architecture de la station mobile
  • 46. BS= station de base MS= station mobile Echantillonnage Code Modulate x VCO1 DAC Decode Demodulate x VCO2 Schéma synoptique d’une station mobile Architecture de la station mobile Réseaux Mobiles 46
  • 47. • Une station mobile MS comprend un Equipement Mobile (ME) et une carte électronique à puce appelée Module d’Identité d’Abonné (SIM), • Chaque équipement mobile est identifié par un numéro IMEI (Identité internationale de l’équipement Mobile ) qui est codé sur 15 digits TAC FAC SNR SP 6digits 2digits 6digits 1digit TAC: Type Approval Code; numéro d’agrément du ME FAC: Final Assembled Code; identifie l’usine de fabrication SNR: Serial Number; fournit par le constructeur SP:Spare, réservé Architecture de la station mobile Réseaux Mobiles 47
  • 48. Réseaux Mobiles 48 Carte SIM Une carte SIM contient les informations suivantes : • Numéro d'abonné international (IMSI, international mobile subscriber identity) • Etat de la carte SIM • Code de service (opérateur) • Clé d'authentification (Ki) • Code PIN (Personal Identification Code) • Code PUK (Personal Unlock Code) • Algorithmes de cryptage et d’authentification (A3,A8, A5)
  • 51. • La BTS est un ensemble d’émetteurs / récepteurs ( TRX ) • La BTS s’occupe de toutes les transmissions radio: • Modulation-Démodulation • égalisation, •Codage/decodage •Cryptage-Décryptage •Correction d’erreur • La BTS effectue les mesures sur la qualité des liaisons radio. • Ces mesures servent à réguler la puissance d’émission des mobiles ; elles sont transmises au BSC pour être exploitées. • STATION DE BASE- BTS Réseaux Mobiles 51
  • 52. STATION DE BASE- BTS Réseaux Mobiles 52 Structure d’une BTS
  • 53. Réseaux Mobiles 53 La norme GSM distingue trois types de cellule: Types de BTS 1- Macros-cellules 2- Micros-cellules 3- Picos-cellules
  • 54. Réseaux Mobiles 54 Types de BTS • Macros-cellules : Elles Disposent d’un large rayon de couverture qui peut atteindre les 35 km. Déployées généralement dans les zones rurales
  • 55. Réseaux Mobiles 55 Types de BTS • Micros-cellules : Elles ont un rayon de couverture compris entre 100 et 300 m. Déployées dans les zones urbaines
  • 56. Réseaux Mobiles 56 Types de BTS • Picos-cellules : Elles ont un rayon de couverture compris entre 10 et 100 m. Déployées dans les zones urbaines avec une grande densité
  • 57. CONTROLEUR DE STATION DE BASE- BSC Réseaux Mobiles 57
  • 58. Il est l'organe intelligent du sous-système radio BSS : • il gère les stations de bases :  Allocation de canaux  Gestion des ressources radio  Reconfiguration des BTS en cas de nécessité • il exécute des procédures de maintien des communications:  traitement des mesures effectuées par MS et les BTS  Contrôle la puissance d'émission des MS  Il décide de l'exécution des Handovers . • il réalise une concentration des circuits vers le MSC. BSC Réseaux Mobiles 58
  • 59. 1 2 3 4 MSC MSC BSC BSC BSC BSC BTS BTS BTS BTS 1: Transfert automatique ( Handover intra BTS) 2: Transfert automatique inter BTS ( Handover intra BSC) 3: Transfert automatique inter BSC ( Handover intra MSC) 4: Transfert automatique inter MSC ( Handover inter MSC) Différents niveaux de Transfert automatique Réseaux Mobiles 59
  • 60. TRANSCODEUR Rate Adapter Unit (TRAU) 13-64KBITS/S Réseaux Mobiles 60
  • 61. Réseaux Mobiles 61 Transcodage de la parole • La voix est codé sur 13kbit/s sur l’interface radio de GSM, mais le réseau fixe gère des circuits de parole de 64Kbit/s • Où doit être réalisé le transcodage 13kbit/s64kbit/s? • L’équipement TRAU (Transcoder Rate Adapter Unit) effectue la conversion 13kbit/s64kbit/s • Le TRAU est implémenté dans le BSS • Il est placé le plus proche possible du BSC
  • 62. 4*16 kbits/s 64 kbits/s 13 kbits/s MS BTS BSC T R A U M S C Principe de Transcodage par TRAU • La BTS reçoit 260 bits toutes les 20ms du MS • Cette trame est complétée par • 21 bits de contrôle • 4 bits de d’alignement pour résoudre le Problème de synchronisation • 35 bits de synchronisation pour marquer le début d’une trame • Soit 320 bits toutes les 20ms ie D=16kbit/s Réseaux Mobiles 62 64 kbits/s Interface U Interface Abis Interface A
  • 63. Principe de Transcodage par TRAU Réseaux Mobiles 63 Exercice d’application Pour la transmission de la voix via un réseau de radiocommunication particulier semblable au système GSM de point de vue signalisation, infrastructure et structure de trame, le MS traite la voix par bloc de 30ms et en extrait 240 bits de données. A ces bits vont s’ajouter 180 autres pour protéger la communication sur l’interface Um. a-Calculer le débit du trafic sur l’interface Um ? b-Quel est le débit du trafic sur une voie de l’interface Abis? (Abis est un MIC E1) c-Quel est le nombre de bits qui doivent être ajoutés pour assurer cette adaptation sachant que l’on souhaite multiplexer 4 appels simultanés sur une voie de l’interface Abis?
  • 64. Réseaux Mobiles 64 SOUS SYTEME RESEAU NSS
  • 65. LE CENTRE DE COMMUTATION DU SERVICE MOBILE MOBILE SWITCHING CENTER MSC Réseaux Mobiles 65
  • 66. Le centre de commutation du service mobile MSC : c'est l'élément central du NSS. • Il gère l'établissement des appels en effectuant une commutation temporel. • Commute les messages de signalisation entre les entités de son réseau PLMN et autre réseaux GSM et reseau fixe. • il dialogue avec le VLR pour gérer la mobilité des usagers: Vérification des données des abonnes mobile cas d ’un appel départ et transfert des informations de localisation. • Sert de passerelle (Gateway MSC), pour accéder au réseau GSM à partir du PSTN. MSC Réseaux Mobiles 66
  • 67. Le centre de commutation du service mobile MSC : c'est l'élément Central du NSS. MSC Réseaux Mobiles 67
  • 68. • MSC gère l'établissement des appels en effectuant une commutation temporel. MSC Réseaux Mobiles 68
  • 69. MSC Réseaux Mobiles 69 Principe de commutation temporel • Partage du support de transmission dans le temps entre plusieurs utilisateurs. • Chaque utilisateur exploite le support de transmission pendant une tranche de temps dite Time slot (TS) ou voie ou Intervalle de temps (IT) • Les IT sont égaux pour tous les utilisateurs.
  • 70. MSC Réseaux Mobiles 70 Principe de commutation temporel TDMA:Time Division Multiple Access TS ou IT Trame TDMA
  • 71. • MSC gère l'établissement des appels en effectuant une commutation temporel. MSC Réseaux Mobiles 71 IT0 IT5 IT2 IT3 IT4 IT0 IT6 IT7
  • 72. Réseaux Mobiles 72 ENREGISTREUR DE LOCALISATION NOMINAL HOME LOCATION REGISTER HLR
  • 73. Réseaux Mobiles 73 • Le HLR est la base de données qui gère les abonnés d’un réseau donné « Public Land Mobile Network »(PLMN). • Il mémorise d’une part les caractéristiques de chaque abonné:  L’identité internationale de l’abonné utilisée par le réseau (IMSI)  Le numéro d’annuaire de l’abonné(MSISDN)  Le profil de l’abonnement (services supplémentaires autorisés, autorisation d’appel à l’international,…). • Ces données sont rentrées par l’opérateur à partir de son système d’administration. • A chaque abonné est associé un HLR unique, de façon indépendante de la localisation momentanée de cet abonné. HLR
  • 74. Réseaux Mobiles 74 Le réseau identifie le HLR à partir de l’ IMSI de l’abonné. IMSI L’IMSI suit le plan d’identification E.212 de l’UIT. 3digits 2digits 2digits <=10digits MCC MNC H1H2 MSIN National Mobile Subscriber Identity IMSI HLR
  • 75. Réseaux Mobiles 75 L’IMSI est codé sur au plus 15 digits et comprend trois parties: • Mobile Country Code (MCC): indicatif du pays domicile de l’abonné mobile (par exemple: 604 pour le Maroc) • Mobile Network Code (MNC): indicatif du PLMN nominal de l’abonné mobile (exemple 01 pour Maroc Telecom) • Mobile Subscriber Identification Number (MSIN): numéro de l’abonné mobile à l’intérieur du réseau Les deux champs MCCet MNC permettent de déterminer, de façon unique dans le monde, le PLMN de l’abonné. les des deux premiers du champ MSIN donnent l’indicatif du HLR de l’abonné au sein de son PLMN. HLR