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Architecture	
  des	
  réseaux	
  cellulaires	
  
Rachid	
  Elazouzi	
  
2
Plan	
  	
  	
  
Réseaux cellulaire 2e génération
§  Introduction - Historique, standards, couverture
§  Interface	
  radio	
  -­‐	
  Fréquences,	
  modula=on,	
  codage,	
  débit,	
  système	
  
cellulaire	
  	
  
§  Structure	
  du	
  réseau	
  -­‐	
  Eléments	
  de	
  base,	
  réseau	
  de	
  transmission	
  
terrestre,	
  carte	
  SIM	
  et	
  sécurité	
  	
  
§  Fonc=onnement	
  -­‐	
  Ini=alisa=on,	
  localisa=on,	
  appels,	
  handover,	
  ges=on	
  
de	
  la	
  puissance	
  et	
  codage	
  de	
  la	
  voix	
  	
  
§  Déploiement	
  et	
  maintenance	
  par	
  les	
  opérateurs	
  -­‐	
  Ou=ls	
  u=lisés,	
  mesure	
  
de	
  trafic,	
  exemple	
  de	
  sta=on	
  de	
  base	
  et	
  d’antennes,	
  op=misa=on	
  du	
  
réseau.	
  	
  
§  Accès	
  au	
  support	
  :	
  	
  FDMA,	
  TDMA,	
  CDMA,	
  Aloha,	
  CSMA	
  
§  D’autres	
  	
  technologies	
  cellulaires	
  	
  	
  WAP-­‐GPRS,	
  EDGE	
  
	
  
	
  
2
Plan	
  	
  	
  
Réseaux cellulaire 3e génération
•  Historique	
  
•  Le	
  3GPP	
  
•  Les	
  services	
  UMTS	
  
•  La	
  radio	
  
•  L’architecture	
  
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•  Mise	
  en	
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2
Plan	
  	
  	
  
Réseaux cellulaire 4e génération
•  Introduc=on	
  
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  Cell	
  
•  Evolu=ons	
  technologiques	
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  cellulaires	
  
avancés	
  LTE	
  
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  OFDMA/SC-­‐FDMA,	
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  and	
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•  Architecture	
  des	
  réseaux	
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  CC	
  20%	
  
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  TP	
  10%	
  
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  locaux	
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  MIP	
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  10%	
  
•  Applica=on	
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  15	
  
•  Applica=on	
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  15%	
  
3
Historique	
  de	
  la	
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•  1979,	
  World	
  Administra=ve	
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Conference	
  
– Accord	
  :	
  900	
  MHz	
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  le	
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•  1982,	
  Conférence	
  Européenne	
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Télécommunica=ons	
  
– Deux	
  sous-­‐bandes	
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  25	
  MHz	
  
– 890-­‐915	
  Terminaux	
  -­‐>	
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– 935-­‐960	
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  -­‐>	
  Terminaux	
  
4
Une	
  norme	
  européenne	
  
•  Groupe	
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  Mobile	
  
– Acronyme	
  ré-­‐interprété	
  
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•  1987,	
  transmission	
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mul=plexage	
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•  France	
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5
Ouverture	
  commerciale	
  
•  Choix	
  de	
  la	
  France:	
  Alcatel	
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  Matra	
  
•  Juillet	
  91,	
  première	
  communica=on	
  
•  Octobre	
  91,	
  réseau	
  de	
  démonstra=on	
  
•  Décembre	
  91,	
  réseau	
  pilote	
  
•  Juillet	
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  ouverture	
  commerciale	
  
•  Simultanément,	
  des	
  réseaux	
  ouvrent	
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  toute	
  
l’Europe	
  	
  :	
  sigle	
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  (Global	
  System	
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communica=on)	
  
•  91,	
  adapta=on	
  dans	
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Structure	
  de	
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  350	
  membres	
  dont	
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§  SMG 1 définition des
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§  SGM 5 Universal Mobile
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Le	
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  Sta=on	
  ISDN	
  Number	
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Numéro	
  et	
  iden=té	
  
Mr Dupont
MSISDN
33 06 07 62 17 73
IMSI
208 01 314159
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  Module)	
  
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  d’usine,	
  la	
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  SIM	
  con=ent	
  :	
  
–  Con=ent	
  différentes	
  clés	
  de	
  protec=on	
  
–  Con=ent	
  l’algorithme	
  d’authen=fica=on	
  
•  Pour	
  la	
  personnaliser	
  ajribu=on	
  :	
  
–  Clé	
  d’authen=fica=on	
  Ki	
  
–  IMSI	
  
RAM
ROM (SIM OS)
EEPROM
IMSI, Ki,...)
CPU
Secure
Access
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Schéma	
  global	
  
BSC
BSC
BSC
MSC
MSC
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
R
T
C
P
VLR
VLR
HLRBSS NSS
Abis A
B
D
C
E
G
AUC
H
EIR
F
Architecture GSM suivant la norme : PLMN
Source Wikepedia
13
14
Fonc=ons	
  de	
  la	
  BTS	
  
•  Une	
  BTS	
  coûte	
  en	
  moyenne	
  2.000	
  euros	
  
•  Emejeur-­‐récepteur	
  ou	
  TRX	
  
•  Modula=on/démodula=on,	
  égalisa=on,	
  codage,	
  
correc=on	
  d’erreur	
  
•  Un	
  BTS	
  couvre	
  entre	
  200	
  m	
  à	
  20	
  km	
  
•  Un	
  TRX	
  =	
  1	
  porteuse	
  =	
  7	
  communica=ons	
  
–  Rural	
  BTS=1	
  TRX,	
  Urbain	
  BTS=2-­‐4	
  TRX	
  
•  Exercice	
  
Station de Base BTS
15
Types	
  de	
  BTS	
  
•  BTS	
  Standards	
  (2,5-­‐320	
  Waj)	
  
– Locaux	
  techniques	
  
– Antennes	
  +	
  câble	
  +	
  coupleur	
  +	
  1-­‐4	
  TRX	
  
•  Micro-­‐BTS	
  (0.01-­‐0.08	
  Waj)	
  
– Zone	
  urbaine	
  dense	
  
– Equipement	
  intégré	
  
– Coût	
  faible	
  
16
Exemple	
  de	
  BTS	
  
•  Les	
  BTS	
  rayonnantes	
  	
  
•  Les	
  BTS	
  ciblés	
  
•  Les	
  micro	
  BTS	
  
17
BTS ciblé
18
Micro	
  BTS	
  
Source http://www.memoireonline.com/02/11/4244/Installation-et-maintenance-dune-BTS.html
3 antennes omnidirectionnelles
19
Configura=ons	
  BTS-­‐BSC	
  
BSC
BTSBTS BTS
BSC
BSC
BTS
BTS
BTS
BTSBTSBTS
Secorisation
20
Fonc=on	
  du	
  BSC	
  
•  Par=e	
  intelligente	
  du	
  BSS	
  
•  Ges=on	
  des	
  ressources	
  radio	
  
–  Alloca=on	
  de	
  fréquence	
  
–  Contrôle	
  des	
  puissances	
  mobile/BTS	
  
–  Décision	
  et	
  exécu=on	
  Handover	
  
–  Reçoit	
  les	
  mesures	
  des	
  BTS	
  
•  Commutateurs	
  
•  Pour	
  Paris	
  intra-­‐muros	
  quelques	
  dizaines	
  de	
  BSC	
  
•  La	
  capacité	
  de	
  BSC	
  sont	
  comprise	
  entre	
  100	
  et	
  900	
  Erlang	
  (Exercice)	
  
21
Fonc=ons	
  du	
  HLR	
  
•  Mémorise	
  les	
  caractéris=ques	
  d’un	
  abonné	
  
– Iden=fica=on	
  interna=onale	
  
– Numéro	
  d’annuaire	
  d’abonné	
  
– Profil	
  d’abonnement	
  
•  Mémorise	
  le	
  VLR	
  où	
  l’abonné	
  est	
  connecté	
  
(même	
  à	
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22
Fonc=ons	
  du	
  MSC	
  et	
  du	
  VLR	
  
•  Commutateur	
  du	
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  mobile	
  
–  Communica=on	
  mobile	
  <>	
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–  Handover	
  si	
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–  Gère	
  le	
  VLR	
  pour	
  la	
  mobilité	
  des	
  usagers	
  (iden=té	
  temporaire)	
  
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  de	
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  peut	
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  d’une	
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23
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L'interface à respecter de façon impérative est l'interface D.
24
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Cours1 mobile2015

  • 1. 1 Architecture  des  réseaux  cellulaires   Rachid  Elazouzi  
  • 2. 2 Plan       Réseaux cellulaire 2e génération §  Introduction - Historique, standards, couverture §  Interface  radio  -­‐  Fréquences,  modula=on,  codage,  débit,  système   cellulaire     §  Structure  du  réseau  -­‐  Eléments  de  base,  réseau  de  transmission   terrestre,  carte  SIM  et  sécurité     §  Fonc=onnement  -­‐  Ini=alisa=on,  localisa=on,  appels,  handover,  ges=on   de  la  puissance  et  codage  de  la  voix     §  Déploiement  et  maintenance  par  les  opérateurs  -­‐  Ou=ls  u=lisés,  mesure   de  trafic,  exemple  de  sta=on  de  base  et  d’antennes,  op=misa=on  du   réseau.     §  Accès  au  support  :    FDMA,  TDMA,  CDMA,  Aloha,  CSMA   §  D’autres    technologies  cellulaires      WAP-­‐GPRS,  EDGE      
  • 3. 2 Plan       Réseaux cellulaire 3e génération •  Historique   •  Le  3GPP   •  Les  services  UMTS   •  La  radio   •  L’architecture   •  Le  protocole   •  Mise  en  œuvre  des  tests    
  • 4. 2 Plan       Réseaux cellulaire 4e génération •  Introduc=on   •  Hetnet   •  Small  Cell   •  Evolu=ons  technologiques  vers  les  réseaux  cellulaires   avancés  LTE   •  OFDM,  OFDMA/SC-­‐FDMA,  MIMO   •  Schémas  Duplex  FDD/TDD   •  Canaux  physique,  logiques  et  transport   •  Spectre  and  bandes  de  fréquence    
  • 5. Contrôle  des  connaissances   •  Architecture  des  réseaux  cellulaires  CC  20%   •  Architecture  des  réseaux  cellulaires  TP  10%   •  Réseaux  locaux  sans  fil  CC  10%   •  Réseaux  locaux  sans  fil  TP  5%   •  Mobilité  CC  5%   •  Mobilité  LTE  TP  10%   •  Mobilité  MIP  TP    10%   •  Applica=on  réalisa=on  15   •  Applica=on  soutenance  15%  
  • 6. 3 Historique  de  la  norme   •  1979,  World  Administra=ve  Radio   Conference   – Accord  :  900  MHz  pour  le  mobile   •  1982,  Conférence  Européenne  des  Postes  et   Télécommunica=ons   – Deux  sous-­‐bandes  de  25  MHz   – 890-­‐915  Terminaux  -­‐>  Réseaux   – 935-­‐960  Réseaux  -­‐>  Terminaux  
  • 7. 4 Une  norme  européenne   •  Groupe  Spécial  Mobile   – Acronyme  ré-­‐interprété   – France/Allemagne  (tout  numérique)   •  1987,  transmission  numérique  avec   mul=plexage  temporel  à  bande  moyenne   •  France  télécom  et  SFR  
  • 8. 5 Ouverture  commerciale   •  Choix  de  la  France:  Alcatel  et  Matra   •  Juillet  91,  première  communica=on   •  Octobre  91,  réseau  de  démonstra=on   •  Décembre  91,  réseau  pilote   •  Juillet  92,  ouverture  commerciale   •  Simultanément,  des  réseaux  ouvrent  dans  toute   l’Europe    :  sigle  GSM  (Global  System  for  Mobile   communica=on)   •  91,  adapta=on  dans  la  bande  1800  MHz  
  • 9. 6 Structure  de  normalisa=on   •  European  Telecommunica=ons  Standards   Ins=tute  (ETSI  <=>  ANSI)   •  1994,  350  membres  dont  des  non-­‐ européens  (Australie)   •  Norme  adoptée  hors  Europe   – Concurrence  :  norme  US  et  norme  Japon  
  • 10. 7 Special  Mobile  Group  (ETSI)   §  SMG 1 définition des services §  SGM 2 interface radio §  SGM 3 réseau fixe §  SGM 4 services de données §  SGM 5 Universal Mobile Telecommunication System ■  SGM 6 administration des réseaux ■  SGM 7 et 8 tests pour la station mobile et sous- système radio ■  SGM 9 Carte SIM
  • 11.
  • 12.
  • 13.
  • 14. 9 Principales  caractéris=ques   ■ Approche  réseau   –  Diversité  des  services   –  Architecture  spécifiée   ■ Interface  radio  élaborée   –  En=èrement  spécifiée   ■ GSM  900  et  DCS  1800   –  Ajénua=on     –  Zones  urbaines.   – bâtiment
  • 17. Combinaison  de  deux  sinusoïdes  
  • 18. 10 Le  terminal   •  Abonnement/terminal   •  Subscriber  Inden=ty  Module  (SIM)   •  Différencia=on   – «iden=té»   –  Interna=onal  Mobile  Suscriber  Iden=ty  IMSI   – «numéro  d’abonnés»   –  Mobile  Sta=on  ISDN  Number  (  Tel  )  
  • 19. 11 Numéro  et  iden=té   Mr Dupont MSISDN 33 06 07 62 17 73 IMSI 208 01 314159 IMSI 208 01 314159 SIM
  • 20. La  carte  SIM  (Subscriber  Iden=ty  Module)   •  Accès  aux  service  GSM  à  carte  SIM     •  Sor=e  d’usine,  la  carte  SIM  con=ent  :   –  Con=ent  différentes  clés  de  protec=on   –  Con=ent  l’algorithme  d’authen=fica=on   •  Pour  la  personnaliser  ajribu=on  :   –  Clé  d’authen=fica=on  Ki   –  IMSI   RAM ROM (SIM OS) EEPROM IMSI, Ki,...) CPU Secure Access
  • 21. 12 Schéma  global   BSC BSC BSC MSC MSC BTS BTS BTS BTS BTS BTS R T C P VLR VLR HLRBSS NSS Abis A B D C E G AUC H EIR F Architecture GSM suivant la norme : PLMN Source Wikepedia
  • 22. 13
  • 23. 14 Fonc=ons  de  la  BTS   •  Une  BTS  coûte  en  moyenne  2.000  euros   •  Emejeur-­‐récepteur  ou  TRX   •  Modula=on/démodula=on,  égalisa=on,  codage,   correc=on  d’erreur   •  Un  BTS  couvre  entre  200  m  à  20  km   •  Un  TRX  =  1  porteuse  =  7  communica=ons   –  Rural  BTS=1  TRX,  Urbain  BTS=2-­‐4  TRX   •  Exercice  
  • 25. 15 Types  de  BTS   •  BTS  Standards  (2,5-­‐320  Waj)   – Locaux  techniques   – Antennes  +  câble  +  coupleur  +  1-­‐4  TRX   •  Micro-­‐BTS  (0.01-­‐0.08  Waj)   – Zone  urbaine  dense   – Equipement  intégré   – Coût  faible  
  • 26. 16 Exemple  de  BTS   •  Les  BTS  rayonnantes     •  Les  BTS  ciblés   •  Les  micro  BTS  
  • 30. 19 Configura=ons  BTS-­‐BSC   BSC BTSBTS BTS BSC BSC BTS BTS BTS BTSBTSBTS Secorisation
  • 31. 20 Fonc=on  du  BSC   •  Par=e  intelligente  du  BSS   •  Ges=on  des  ressources  radio   –  Alloca=on  de  fréquence   –  Contrôle  des  puissances  mobile/BTS   –  Décision  et  exécu=on  Handover   –  Reçoit  les  mesures  des  BTS   •  Commutateurs   •  Pour  Paris  intra-­‐muros  quelques  dizaines  de  BSC   •  La  capacité  de  BSC  sont  comprise  entre  100  et  900  Erlang  (Exercice)  
  • 32. 21 Fonc=ons  du  HLR   •  Mémorise  les  caractéris=ques  d’un  abonné   – Iden=fica=on  interna=onale   – Numéro  d’annuaire  d’abonné   – Profil  d’abonnement   •  Mémorise  le  VLR  où  l’abonné  est  connecté   (même  à  l’étranger  roaming)   •  Centralisé  ou  non  
  • 33. 22 Fonc=ons  du  MSC  et  du  VLR   •  Commutateur  du  service  mobile   –  Communica=on  mobile  <>  autre  MSC   –  Handover  si  hors  BSC   –  Gère  le  VLR  pour  la  mobilité  des  usagers  (iden=té  temporaire)   –  Fonc=on  de  passerelle  avec  RTC   •  VLR  (Visitor  Loca=on  register)   •  Un  ensemble  MSC/VLR  peut  gérer  d’une  centaines  de   milliers  d’abonnés  par  un  trafic  moyen  par  aboné  de   0.025  Erlang.   •  Iden=té  temporaire  TMSI.  
  • 34. 23 Liste  des  interfaces     L'interface à respecter de façon impérative est l'interface D.
  • 35. 24 Couches  du  sous-­‐système  radio   •  Philosophie  des  couches  ISO   •  BSS   – Couche  1  physique   – Couche  2  liaison  de  données   •  fiabilisa=on  de  la  transmission  (protocole)   – Couche  3  réseau   •  ges=on  des  circuits  commutés  
  • 36. 25 Couche  3  réseau   •  Radio  Ressource  (RR)   –  ges=on  des  canaux  logiques   –  surveillance  des  balises   •  Mobility  Management  (MM)   –  localisa=on/authen=fica=on/alloca=on  de  la  TMSI   •  Connec=on  Management  (CM)   –  Call  Control,  Short  Message  Service,  Supplémentary   Services