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1 CNAM Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8 Le GSM - Première norme de téléphonie cellulaire de seconde génération (tout numérique) Début de normalisation en 1982 Première norme en 1991 Normalisation toujours active - «Groupe Spécial Mobile» puis «Global System for Mobile communications» - GSM 900 MHz, GSM 1800 MHz, GSM 1900 MHz : systèmes unifiés Différence : aspect du déploiement, mais architecture et interfaces identiques

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

Le GSM

- Première norme de téléphonie cellulaire de seconde génération (tout numérique)

Début de normalisation en 1982Première norme en 1991Normalisation toujours active

- «Groupe Spécial Mobile» puis «Global System for Mobile communications»

- GSM 900 MHz, GSM 1800 MHz, GSM 1900 MHz : systèmes unifiésDifférence : aspect du déploiement,

mais architecture et interfaces identiques

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

GSM : les objectifs

- Offrir un vaste éventail de services de télécommunications compatibles avec ceux des réseaux fixes.- Offrir des services spécifiques dus à la mobilité des usagers.- Assurer la compatibilité d’accès à n’importe quel utilisateur dans n’importe quel pays exploitant le système GSM.- Assurer la localisation automatique des mobiles sous la couverture globale de l’ensemble des réseaux.- Permettre une grande variété de terminaux mobiles.- Obtenir une bonne efficacité spectrale.- Obtenir des coûts permettant d’assurer le succès du service.

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GSM : Architecture

Rôle d'un réseau de radiotéléphonie : permettre des communications entre abonnés mobiles et abonnés du RTC caractérisées par un accès très spécifique, la liaison radio.

Trois sous-ensembles :- sous-système radio (BSS)

Transmission radioélectriqueGestion de la ressource radio

- sous-système d'acheminement - réseau fixe (NSS)Etablissement des appelsMobilité

- sous-système d'exploitation et de maintenanceAdmission sur réseau

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GSM : Architecture

BTSBSC

BSC

MSC

MSC

BSS NSS

signalisationparole

BTS

BTS

BTS

VLR

VLR

HLR

RTCPRNISRPDC C/P

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

GSM : Architecture mobile/fixeCAA

CT CT

CT

Réseautéléphoniquefixe

Réseau designalisation

HLROMC

MSC

BSC

RéseauxGSM

CAA

MS

STP

MSC BSC

BSC

BSMS

BSBSBS

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GSM : Architecture

Le BSS comprend :- les BTS ( Base Transceiver Station) sont des émetteurs-récepteurs ayant un minimum d'intelligence.- le BSC (Base Station Controller) contrôle un ensemble de BTS et permet une première concentration des circuits.

Le NSS comprend des bases de données et des commutateurs :- les MSC (Mobile-services Switching Center) sont des commutateurs mobiles associés en général aux bases de données VLR (Visitor Location Register)- le HLR (Home Location Register) est une base de données de localisation et de caractérisation des abonnés

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GSM : ArchitectureBTS :

- Emetteur/Récepteur- Modulation, démodulation, égalisation, codage, correcteur d'erreur- Gère toute la couche physique, multiplexage TDMA, saut de fréquence, chiffrement.- Réalisation de mesures radio pour vérifier que la communication se déroule bien.Ces mesures ne sont pas exploitées par la BTS mais envoyées au BSC.- Capacité maximale d'une BTS : 16 porteuses

Au plus, une centaine de communications simultanées

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

GSM : Architecture

BSC :

Contrôleur de station de base (Organe "intelligent" du BSS)

- Commande l'allocation des canaux.- Utilise les mesures effectuées par la BTS pour contrôler les puissances d'émission du mobile et/ou de la BTS.

Décision de handover

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

GSM : ArchitectureHLR : Enregistreur de localisation nominal

Base de données qui gère les abonnés d'un réseau GSM donné.

1 - Il mémorise les caractéristiques de chaque abonné :•IMSI (International Mobile Subscriber Identity) Identité invariante de l'abonné• MSISDN (Mobile Station ISDN Number)• Profil d'abonnement

2 - HLR est aussi une base de données de localisation•numéro de VLR où le mobile est enregistré.

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

GSM : Architecture

VLR : Enregistreur de localisation d'accueil

• Base de données qui mémorise les données d'abonnement des abonnés mobiles présents dans une zone géographique.•Plusieurs MSC peuvent être reliés au même VLR, mais en général un MSC pour un VLR.•Données mémorisées par le VLR sont similaires aux données du HLR, mais concernent seulement les abonnés mobiles présents dans la zone considérée.•La séparation matérielle entre MSC et VLR proposée par la norme n'est pas souvent respectée.

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

GSM : ArchitectureMSC

Gère l'établissement des communications entre un mobile et un autre MSC, la transmission des messages courts et l'exécution du handover.

Il dialogue avec le VLR pour gérer la mobilité des usagers : vérification des caractéristiques des abonnés visiteurs lors d'un appel départ,transfert des informations de localisation,...

Il peut posséder une fonction passerelle : GMSC

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

GSM : ArchitectureGMSC (Gateway MSC)

- activé au début de chaque appel d'un abonné fixe vers un mobile.- fonction différente de MSC pure, car la GMSC pourrait être implantée

directement dans les commutateurs du RTC.- En réalité, elle est réalisée par les MSC pour minimiser l'impact sur le

RTC.

Un ensemble MSC/VLR peut gérer de l'ordre d'une centaine de milliers d'abonnés présentant un trafic moyen de 0,025 Erlang.

- Les MSC sont en général des commutateurs de transit du réseau téléphonique sur lesquels ont été implantées des fonctions spécifiques du GSM.

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

GSM : Identités

Le système GSM utilise 4 types d'adressages liés à l'abonné :

- l'IMSI n'est connu qu'à l'intérieur du réseau GSM. Cette identité doit rester secrète autant que possible, aussi GSM a-t-il recours au TMSI.- le TMSI est une identité temporaire utilisée pour identifier le mobile lors des interactions station mobile/réseau.- le MSISDN est le numéro de l'abonné, c'est le seul identifiant de l'abonné mobile connu à l'extérieur du réseau GSM.- le MSRN (Mobile Station Roaming Number) est un numéro attribué lors de l'établissement d'appel. Sa principale fonction est de permettrel'acheminement des appels par les commutateurs (MSC et GMSC)

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

GSM : IdentitésMS

VMSC/VLR HLR GMSCposte

appelant

MSISDN

MSISDNIMSI

MSRNMSRN

MSRNTMSI ou IMSI

(1)

(2)(3)

(4)(5)

(6)(7)

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

EvolutionIMT 2000

EDGE CDMA-TDDGSM + UMTS

GPRS CDMA FDD

D. AMPS EDGE TDMA

CDMA - IS 95 CDMA 2000

(DECT) (DECT)

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

GSM : Itinérance (Roaming)

Gestion des bases de données (HLR et VLR) :

Un VLR peut gérer plusieurs zones de localisation. En revanche, une zone de localisation ne peut pas comprendre des cellules dépendant de VLR différents.

Seul le VLR mémorise la zone de localisation courante de l'ensemble des mobiles qu'il gère.

Le HLR mémorise l'identité du VLR courant de chaque abonné et non pas sa zone de localisation.

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Propagation

- transmission dans l’atmosphère- trajets très mal dégagés- terminaux essentiellement mobiles

- Affaiblissements de propagation très mal maîtrisés,toujours variables - Enormément de perturbations instables, non stationnaires

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

PropagationTrois types de phénomènes :

• quasiment stables :liés, pour un système donné, essentiellement à la distanceentre émetteur et récepteur

• lents :liés à la présence de masques.stationnarité : quelques dizaines de mètres (immeubles, carrefours, ...)

• rapides :liés à la présence de réflexionsstationnarité : quelques dizaines de centimètres (fonction de λλλλ)

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

Propagation : les multi-trajetsRéception de l’onde directe + réflexions

- réflexions multiples (sur les façades)- diffraction (par les toits, par les coins des bâtiments)- diffusion (végétation, ...)

BS

diffractiondiffusion

Différents problèmes affectant la propagation

en milieu urbain

réflexion

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

Propagation : les multi-trajets

Cette caractérisation du canal doit nécessairement être appréhendée par des mesures appropriées.

• Le niveau de champ reçu (mesures en bande étroite)

• La réponse impulsionnelle du canal ou sa fonction de transfert (mesure en bande large)

• Les directions d’arrivée des multi-trajets

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

Propagation : les multi-trajets

Comment appréhender le canal de propagation en milieu urbain ?

Deux objectifs majeurs pour les modèles de propagation :

• Conception et évaluation des performances des systèmes radioélectriques (qualité taux d’erreur, capacité)• Ingénierie radioélectrique : modèles de prévision pour les outils de planification

Les modèles respectent un compromis précision/temps de calculCes modèles se concrétisent par :- logiciels introduits dans des outils de simulation et de prévision- matériels (simulateurs de canal)

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

Efficacité spectrale

C'est le nombre d'Erlang par MHz et par cellule. Il donne le trafic offert par cellule et par nombre de porteuses de largeur ∆∆∆∆bpar MHz.

A ne pas confondre avec la capacité réseau en Erlang par MHz.km2 qui donne la capacité en nombre d'abonnés sur la surface du réseau

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

Efficacité spectraleN étant le nombre de cellules dans le motifRmin le rayon de la cellule∆∆∆∆b la largeur du canal en MHzk le nombre de communications par porteuseλλλλ le trafic par porteuseT le trafic moyen par abonné

BEAb = 1N

1∆b

k.λ 1T

BEErl = 1N

1∆b

k.λ

CSub = 1N

1∆b

k.λ 1T

1πR2

Trafic par MHz par cellule

Nombre d'abonnés par MHz par cellule

Capacité en nombre d'abonnés par MHz et km2

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

Organisation cellulaire

La modélisation fait appel à un motif hexagonal. Ce motif permet un pavage exhaustif et autorise les calculs sur des bases géométriques fiables.

Cependant les valeurs calculées restent indicatives pour la plupart.

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

Organisation cellulaire

La découpe en pavés hexagonaux impose, en raison des interférences, de séparer par une certaine distance deux cellules utilisant les mêmes fréquences.

Le motif doit être invariant par rotation de 120°. On montre que le nombre de cellules du motif est de la forme

N = i2 + i.j + j2 avec i et j entiers

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

Organisation cellulaireN = i2 + i.j + j2 avec i et j entiers

4843727328191222113731169410043210i/j

Si l'on dispose de n fréquences pour le réseau, on pourra en employer n/N par cellule.

En cas de fort trafic, il y a donc intérêt à diminuer N.

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

La mobilité : organisation cellulaire

zone péri-urbaine

zone urbaine

zone rurale

Exemple théorique de couverture cellulaire

le modèle hexagonal

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

Spectre limité/Trafic important

Le modèle hexagonal : exemples de motifs à 3, 4, 7 cellules

1

2 3

1

2 3

D

D

D

DR

N= 3

R

1

43

2

1

4

3

2

7

5

6

1

4

3

2

7

5

6

1

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2

D = distance de réutilisation

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

Spectre limité/Trafic important

Le modèle hexagonal :

Homothétie de cellules : pour servir un trafic plus important sans demander plus de spectre, on peut choisir des cellules plus petites.

Le trafic maximum par cellule est inchangé mais le trafic servi par km2

est accru.

Cependant, les coûts d'infrastructure sont augmentés. De plus, le nombre de handover est augmenté. Enfin, les effets de propagation ne sont pas homothétiques...

D'où une limite empirique : GSM : R = 350 m.analogique : R = 1000 m.

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

Les réseaux cellulaires sont en général basés sur des motifs à 9, 12 ou plus cellules par motif.

Plus on réduit le nombre de cellules dans le motif, • plus on augmente le nombre de canaux par cellule donc le trafic est augmenté

• mais plus on réduit la distance D de réutilisation plus les interférences sont importantes

D’où un compromis à trouver

Spectre limité/Trafic important

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

Spectre limité/Trafic important

R

D - R

AO O1 à 6

En A, un mobile recevra un signal de la forme ααααPeR-γγγγ

depuis la BS qui le gère.

Il reçoit de même 6 signaux de la forme ααααPe(D-R)-γγγγ

CI

= 16

D −R( )R

4Avec une propagation en d-4 et 6 (majorant) brouilleurs, on trouve donc que le rapport porteuse à brouilleurs C/I est le suivant :

CI

= 16

3N −1[ ]4Soit, avec N nombre de cellules dans le motif :

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

Effet de masque

x dB

P(C/I<x)

-10 0-5 5 10 15 20 25

0,9

0,7

0,5

0,3

0,1

N=1 N=9

N=12

N=21

N=3

N=27

La figure montre qu'il faut que N soit supérieur ou égal à 9 pour que la probabilité que d'avoir un C/I inférieur à 10 dB soit de 10%.

On voit qu'avec N = 12, dans 90% des cas, le C/I sera supérieur à 12 dB.

Le C/I n'est pas fonction que de la distance mais dépend de l'effet de masque représenté par une loi log-normale (gaussienne en dB)

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

Prise en compte du bruit

Raisonner en C/I permet de ne pas tenir compte des puissances d'émission. Raisonner en Eb/N0, c'est occulter les interférences.

Dans la réalité, c'est le rapport C/(N+I) que l'on rencontre. Enprenant une marge complémentaire sur l'un ou l'autre des rapports, on peut raisonner sur lui seul, en considérant que l'autre bénéficie de la nouvelle marge.

Pour augmenter la marge sur le C/I, il faut augmenter la taille du motif (limitation par le bruit).

Pour augmenter la marge sur le Eb/N0 il faut augmenter la puissance d'émission (limitation par les interférences).

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

Lois de propagation

Okumura-Hata :

S'applique entre 150 et 1000 MHz en milieux urbain et sub-urbain, en environnement rural ou dégagé et d > 1 km.

COST 231 - HataS'applique entre 1500 et 2000 MHz en milieux urbain et sub-urbain.

Walfish - IkegamiSemblable à Okumura - Hata, mais pour d > 20 m, donc plus précis. Il tient

compte de la largeur des rues, de la hauteur des immeubles, des angles, etc.

Modèle micro-cellulaireS'applique en milieu urbain, en visibilité pour une antenne située sous le niveau

des toits.

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

Seuil de couverture

Les modèles de propagation donnent un résultat médian. Dans certaines condition, on sait convertir la fonction de répartition du signal reçu sur toute la cellule en fonction de répartition du signal reçu sur le périmètre de la cellule.

Par exemple, si 75% des niveaux à la périphérie sont supérieurs à un seuil donné, alors 90% des niveaux seront supérieurs à ce seuil sur l'ensemble de la cellule (loi de Jakes).

Or, pour une loi log-normale, 75% des échantillons sont contenus entre (m-0,7σ)σ)σ)σ) et l'infini. Il suffit donc d'ajouter une marge de 0,7σσσσ sur le signal à la périphérie pour avoir une couverture de 90%.

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

Budget de liaison

134 dB134 dBAffaiblissement de parcours

3 dB3dBPertes dues au corps humain

137 dBm137 dBmAffaiblissement maximum

43 dBm33 dBmPIRE

12 dBi0 dBiGain d'antenne

4 dB0 dBPertes câbles

3 dB0dBPertes de couplage

38 dBm33 dBmPuissance d'émission

Partie émission

-94 dBm-104 dBmSeuil de sensibilité

5 dB5 dBMarge de masque à 90%

0 dBi12 dBiGain d'antenne

0 dB4 dBPertes câbles

3 dB3 dBMarge de protection

-102 dBm- 104 dBmSensibilité

Partie Réception

Sens descendantSens montant

Portée extérieure2 km environ

(Okumura-Hata, urbain dense)

Marge sur le seuil de bruit

Effet de masque sur la propagation

1. L'utilisation de la diversité dans la BS permet de gagner 5 dB dans le sens montant.2. Le budget doit être équilibré.

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

Compromis spectre limité/trafic important

Exercice :

Soit un réseau GSM formé de cellules hexagonales de rayon R. La distance D

de réutilisation des fréquences est liée à la taille du motif par, avec N le

nombre de cellules dans le motif. On suppose que l’affaiblissement varie selon la

distance selon d-4.1- Si N=4, calculer le nombre de porteuses GSM qu’un opérateur disposant de 12.5MHzpeut en théorie attribuer à chaque cellule.2- Estimer le nombre maximal d’abonnés qu’il peut espérer accueillir dans une cellulesachant qu’un abonné moyen a un trafic de 0.03E à l’heure. 3- Le rayon R ne pouvant être inférieur à 350 m, combien d’abonnés cela représente-t-ildans une ville comme Paris de forme approximative circulaire de rayon RP = 6 km.Commenter brièvement ce résultat.

DR

N= 3

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

GSM 900 : Interface Radio

• Bandes allouées : 2 x 25 MHzMS vers BTS : 890 - 915 MHzBTS vers MS : 935 - 960 MHzDouble extension possible : 2 x 10 MHz

• Ecart entre porteuses : 200 kHz• Vitesse de modulation : 270,833 kilobauds• Mode d'accès : AMRT d'ordre 8• Durée d'un bit : 3,69 µs• Trame AMRT : 4,615 ms• Time slot : 577 µs (148 bit, dont 2 x 57 utiles, + 8,25 bit)• Débit par canal : 24,7 kilobits/s

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

GSM 900 : Interface Radio

Base Station

Pe = 30 à 100 W

Seuil de réception : - 104 dBm C/I c = 9 dB

C/I adj1 = - 9 dB

C/I adj2 = - 41 dB

C/I adj3 = - 49 dB

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

GSM 900 : Interface Radio

Modulation GMSKDiversité de fréquence et d'antennesEmission du mobile trois IT après la réception avec une

avance de 63 bit maximum, soit 232,47 µs soit 34,87 km pour la portée maximum d'une cellule GSM.

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

GSM : ModulationGMSK = MSK filtré (saut de fréquence) - enveloppe constante

MSK = Offset QPSK avec continuité de phase et mise en forme

OQPSK :QPSK sans les transitions suivantes

45° 225 °ou 135° 315°

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

GSM : Généralités• Stucture :

- Hypertrame (3h30 environ) : 2048 supertrames (utilisée pour le chiffrement et saut de fréquence)

- Supertrame (6,12 secondes environ) :51 multitrames de trafic26 multitrames de signalisation1326 trames AMRT

- Multitrame de trafic (120 ms) - Multitrame de signalisation(235,4ms) 26 trames AMRT 51 trames AMRT

- Trame AMRT (4,6 ms environ) : 8 time slot- Time slot (577 µs) : 156,25 bit- Bit : 3,69 µs

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

Bibliographie

Cours C4 - CNAM -Bernard Fino - Michel Terré

"Réseaux GSM-DCS" - X. Lagrange, P. Godlewski, S. Tabbane, Ed.HERMES, 1997