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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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Le GSM- Premire norme de tlphonie cellulaire de seconde gnration (tout numrique) Dbut de normalisation en 1982 Premire norme en 1991 Normalisation toujours active - Groupe Spcial Mobile puis Global System for Mobile communications - GSM 900 MHz, GSM 1800 MHz, GSM 1900 MHz : systmes unifis Diffrence : aspect du dploiement, mais architecture et interfaces identiques1

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GSM : les objectifs- Offrir un vaste ventail de services de tlcommunications compatibles avec ceux des rseaux fixes. - Offrir des services spcifiques dus la mobilit des usagers. - Assurer la compatibilit daccs nimporte quel utilisateur dans nimporte quel pays exploitant le systme GSM. - Assurer la localisation automatique des mobiles sous la couverture globale de lensemble des rseaux. - Permettre une grande varit de terminaux mobiles. - Obtenir une bonne efficacit spectrale. - Obtenir des cots permettant dassurer le succs du service.2

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GSM : ArchitectureRle d'un rseau de radiotlphonie : permettre des communications entre abonns mobiles et abonns du RTC caractrises par un accs trs spcifique, la liaison radio. Trois sous-ensembles : - sous-systme radio (BSS) Transmission radiolectrique Gestion de la ressource radio - sous-systme d'acheminement - rseau fixe (NSS) Etablissement des appels Mobilit - sous-systme d'exploitation et de maintenance Admission sur rseau3

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GSM : ArchitectureBSS NSS HLRBTS BTS

BSC MSC

VLR

RTCP RNISRPDC C/P

BTS

BSC MSCparole

VLR

BTS

signalisation

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GSM : Architecture mobile/fixeRseau tlphonique fixe CAA CT CT CT Rseau de signalisation OMC MS Rseaux GSM BS BSC BS HLR CAA

STP MSC BSC MSC MS BS BS5

BSC

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GSM : ArchitectureLe BSS comprend : - les BTS ( Base Transceiver Station) sont des metteurs-rcepteurs ayant un minimum d'intelligence. - le BSC (Base Station Controller) contrle un ensemble de BTS et permet une premire concentration des circuits. Le NSS comprend des bases de donnes et des commutateurs : - les MSC (Mobile-services Switching Center) sont des commutateurs mobiles associs en gnral aux bases de donnes VLR (Visitor Location Register) - le HLR (Home Location Register) est une base de donnes de localisation et de caractrisation des abonns6

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GSM : ArchitectureBTS : - Emetteur/Rcepteur - Modulation, dmodulation, galisation, codage, correcteur d'erreur - Gre toute la couche physique, multiplexage TDMA, saut de frquence, chiffrement. - Ralisation de mesures radio pour vrifier que la communication se droule bien. Ces mesures ne sont pas exploites par la BTS mais envoyes au BSC. - Capacit maximale d'une BTS : 16 porteuses Au plus, une centaine de communications simultanes

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GSM : Architecture

BSC : Contrleur de station de base (Organe "intelligent" du BSS) - Commande l'allocation des canaux. - Utilise les mesures effectues par la BTS pour contrler les puissances d'mission du mobile et/ou de la BTS. Dcision de handover

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GSM : ArchitectureHLR : Enregistreur de localisation nominal Base de donnes qui gre les abonns d'un rseau GSM donn. 1 - Il mmorise les caractristiques de chaque abonn : IMSI (International Mobile Subscriber Identity) Identit invariante de l'abonn MSISDN (Mobile Station ISDN Number) Profil d'abonnement 2 - HLR est aussi une base de donnes de localisation numro de VLR o le mobile est enregistr.

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GSM : ArchitectureVLR : Enregistreur de localisation d'accueil Base de donnes qui mmorise les donnes d'abonnement des abonns mobiles prsents dans une zone gographique. Plusieurs MSC peuvent tre relis au mme VLR, mais en gnral un MSC pour un VLR. Donnes mmorises par le VLR sont similaires aux donnes du HLR, mais concernent seulement les abonns mobiles prsents dans la zone considre. La sparation matrielle entre MSC et VLR propose par la norme n'est pas souvent respecte.

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GSM : ArchitectureMSC Gre l'tablissement des communications entre un mobile et un autre MSC, la transmission des messages courts et l'excution du handover. Il dialogue avec le VLR pour grer la mobilit des usagers : vrification des caractristiques des abonns visiteurs lors d'un appel dpart,transfert des informations de localisation,... Il peut possder une fonction passerelle : GMSC

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GSM : ArchitectureGMSC (Gateway MSC) - activ au dbut de chaque appel d'un abonn fixe vers un mobile. - fonction diffrente de MSC pure, car la GMSC pourrait tre implante directement dans les commutateurs du RTC. - En ralit, elle est ralise par les MSC pour minimiser l'impact sur le RTC. Un ensemble MSC/VLR peut grer de l'ordre d'une centaine de milliers d'abonns prsentant un trafic moyen de 0,025 Erlang. - Les MSC sont en gnral des commutateurs de transit du rseau tlphonique sur lesquels ont t implantes des fonctions spcifiques du GSM.12

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GSM : IdentitsLe systme GSM utilise 4 types d'adressages lis l'abonn : - l'IMSI n'est connu qu' l'intrieur du rseau GSM. Cette identit doit rester secrte autant que possible, aussi GSM a-t-il recours au TMSI. - le TMSI est une identit temporaire utilise pour identifier le mobile lors des interactions station mobile/rseau. - le MSISDN est le numro de l'abonn, c'est le seul identifiant de l'abonn mobile connu l'extrieur du rseau GSM. - le MSRN (Mobile Station Roaming Number) est un numro attribu lors de l'tablissement d'appel. Sa principale fonction est de permettre l'acheminement des appels par les commutateurs (MSC et GMSC)

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GSM : IdentitsMS VMSC/VLR HLR GMSC poste appelant

MSISDN MSISDN IMSI (3) MSRN (4) (5) MSRN TMSI ou IMSI (7)Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

(1) (2)

MSRN (6)14

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EvolutionIMT 2000 EDGE + GPRS EDGE CDMA-TDD UMTS CDMA FDD TDMA CDMA 2000 (DECT)15

GSM

D. AMPS

CDMA - IS 95 (DECT)

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GSM : Itinrance (Roaming)Gestion des bases de donnes (HLR et VLR) : Un VLR peut grer plusieurs zones de localisation. En revanche, une zone de localisation ne peut pas comprendre des cellules dpendant de VLR diffrents. Seul le VLR mmorise la zone de localisation courante de l'ensemble des mobiles qu'il gre. Le HLR mmorise l'identit du VLR courant de chaque abonn et non pas sa zone de localisation.16

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Propagation- transmission dans latmosphre - trajets trs mal dgags - terminaux essentiellement mobiles

- Affaiblissements de propagation trs mal matriss, toujours variables - Enormment de perturbations instables, non stationnaires

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PropagationTrois types de phnomnes : quasiment stables : lis, pour un systme donn, essentiellement la distance entre metteur et rcepteur lents : lis la prsence de masques. stationnarit : quelques dizaines de mtres (immeubles, carrefours, ...) rapides : lis la prsence de rflexions stationnarit : quelques dizaines de centimtres (fonction de )

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Propagation : les multi-trajetsRception de londe directe + rflexions - rflexions multiples (sur les faades) - diffraction (par les toits, par les coins des btiments) - diffusion (vgtation, ...)

rflexion diffraction diffusion BS19

Diffrents problmes affectant la propagation en milieu urbain

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Propagation : les multi-trajetsCette caractrisation du canal doit ncessairement tre apprhende par des mesures appropries. Le niveau de champ reu (mesures en bande troite) La rponse impulsionnelle du canal ou sa fonction de transfert (mesure en bande large) Les directions darrive des multi-trajets

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Propagation : les multi-trajetsComment apprhender le canal de propagation en milieu urbain ? Deux objectifs majeurs pour les modles de propagation :

Conception et valuation des performances des systmes radiolectriques(qualit taux derreur, capacit) Ingnierie radiolectrique : modles de prvision pour les outils de planification

Les modles respectent un compromis prcision/temps de calculCes modles se concrtisent par : - logiciels introduits dans des outils de simulation et de prvision - matriels (simulateurs de canal)

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Efficacit spectraleC'est le nombre d'Erlang par MHz et par cellule. Il donne le trafic offert par cellule et par nombre de porteuses de largeur b par MHz. A ne pas confondre avec la capacit rseau en Erlang par MHz.km2 qui donne la capacit en nombre d'abonns sur la surface du rseau

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Efficacit spectraleN tant le nombre de cellules dans le motif Rmin le rayon de la cellule b la largeur du canal en MHz k le nombre de communications par porteuse le trafic par porteuse T le trafic moyen par abonn

Trafic par MHz par cellule Nombre d'abonns par MHz par cellule

BEErl =BEAb =

1 1 k. N b1 1 1 k. N b T

Capacit en nombre d'abonns par MHz et km2

CSub =

1 1 1 1 k. N b T R2

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Organisation cellulaire

La modlisation fait appel un motif hexagonal. Ce motif permet un pavage exhaustif et autorise les calculs sur des bases gomtriques fiables. Cependant les valeurs calcules restent indicatives pour la plupart.

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Organisation cellulaireLa dcoupe en pavs hexagonaux impose, en raison des interfrences, de sparer par une certaine distance deux cellules utilisant les mmes frquences. Le motif doit tre 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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Organisation cellulaireN = i2 + i.j + j2 avec i et j entiers

i/j 0 1 2 3 4

0

1

2

3

4Si l'on dispose de n frquences pour le rseau, on pourra en employer n/N par cellule. En cas de fort trafic, il y a donc intrt diminuer N.

0

1 3

4 9 16 7 13 21 12 19 28 27 37 48

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La mobilit : organisation cellulairele modle hexagonal zone pri-urbaine

zone rurale zone urbaine Exemple thorique de couverture cellulaireCours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

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Spectre limit/Trafic importantD = distance de rutilisation

1 2 R 1 2 3 3 D

1 2 3 4 1 2 3 4

D = R

3N6

7 2 1 5 4 7 3

D

6 1 5 4

2 D 3

Le modle hexagonal : exemples de motifs 3, 4, 7 cellules Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

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Spectre limit/Trafic importantLe modle hexagonal : Homothtie 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 inchang mais le trafic servi par km2 est accru. Cependant, les cots d'infrastructure sont augments. De plus, le nombre de handover est augment. Enfin, les effets de propagation ne sont pas homothtiques... D'o une limite empirique : GSM : analogique : R = 350 m. R = 1000 m.29

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Spectre limit/Trafic importantLes rseaux cellulaires sont en gnral bass sur des motifs 9, 12 ou plus cellules par motif. Plus on rduit le nombre de cellules dans le motif, plus on augmente le nombre de canaux par cellule donc le trafic est augment mais plus on rduit la distance D de rutilisation plus les interfrences sont importantes Do un compromis trouver

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Spectre limit/Trafic importantEn A, un mobile recevra un signal de la forme PeR- depuis la BS qui le gre. Il reoit de mme 6 signaux de la forme Pe(D-R)-

O

R

A O1 6

D-R

Avec une propagation en d-4 et 6 (majorant) brouilleurs, on trouve donc que le rapport porteuse brouilleurs C/I est le suivant : Soit, avec N nombre de cellules dans le motif :

C 1 (D R) = I 6 R

4

C 1 = I 6

[

3N 1

]

4

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Effet de masqueLe C/I n'est pas fonction que de la distance mais dpend de l'effet de masque reprsent par une loi log-normale (gaussienne en dB)0,9 0,7 0,5 0,3 0,1 x dBN=1 N=3 N=9

P(C/I 1 km.

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

Walfish - IkegamiSemblable Okumura - Hata, mais pour d > 20 m, donc plus prcis. Il tient compte de la largeur des rues, de la hauteur des immeubles, des angles, etc.

Modle micro-cellulaireS'applique en milieu urbain, en visibilit pour une antenne situe sous le niveau des toits.34

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Seuil de couverture

Les modles de propagation donnent un rsultat mdian. Dans certaines condition, on sait convertir la fonction de rpartition du signal reu sur toute la cellule en fonction de rpartition du signal reu sur le primtre de la cellule. Par exemple, si 75% des niveaux la priphrie sont suprieurs un seuil donn, alors 90% des niveaux seront suprieurs ce seuil sur l'ensemble de la cellule (loi de Jakes). Or, pour une loi log-normale, 75% des chantillons sont contenus entre (m-0,7) et l'infini. Il suffit donc d'ajouter une marge de 0,7 sur le signal la priphrie pour avoir une couverture de 90%.35

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Budget de liaisonSens montant Partie Rception Sensibilit Marge de protection Pertes cbles Gain d'antenne Marge de masque 90% Seuil de sensibilit - 104 dBm 3 dB 4 dB 12 dBi 5 dB -104 dBm -102 dBm 3 dB 0 dB 0 dBi 5 dB -94 dBm Effet de masque sur la propagation Marge sur le seuil de bruit Sens descendant

Partie mission Puissance d'mission Pertes de couplage Pertes cbles Gain d'antenne PIRE 33 dBm 0dB 0 dB 0 dBi 33 dBm 38 dBm 3 dB 4 dB 12 dBi 43 dBm

1. L'utilisation de la diversit dans la BS permet de gagner 5 dB dans le sens montant. 2. Le budget doit tre quilibr.

Affaiblissement maximum Pertes dues au corps humain Affaiblissement de parcours

137 dBm 3dB 134 dB

137 dBm 3 dB 134 dB

Porte extrieure 2 km environ (Okumura-Hata, urbain dense)

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Compromis spectre limit/trafic importantExercice : Soit un rseau GSM form de cellules hexagonales de rayon R. La distance D de rutilisation des frquences est lie la taille du motif par,D = 3N avec N le R

nombre de cellules dans le motif. On suppose que laffaiblissement varie selon la distance selon d-4.1- Si N=4, calculer le nombre de porteuses GSM quun oprateur disposant de 12.5MHz peut en thorie attribuer chaque cellule. 2- Estimer le nombre maximal dabonns quil peut esprer accueillir dans une cellule sachant quun abonn moyen a un trafic de 0.03E lheure. 3- Le rayon R ne pouvant tre infrieur 350 m, combien dabonns cela reprsente-t-il dans une ville comme Paris de forme approximative circulaire de rayon RP = 6 km. Commenter brivement ce rsultat. 37 Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 8

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GSM 900 : Interface Radio Bandes alloues : 2 x 25 MHz MS vers BTS : 890 - 915 MHz BTS vers MS : 935 - 960 MHz Double extension possible : 2 x 10 MHz Ecart entre porteuses : 200 kHz Vitesse de modulation : 270,833 kilobauds Mode d'accs : AMRT d'ordre 8 Dure d'un bit : 3,69 s Trame AMRT : 4,615 ms Time slot : 577 s (148 bit, dont 2 x 57 utiles, + 8,25 bit) Dbit par canal : 24,7 kilobits/s38

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GSM 900 : Interface RadioBase Station Pe = 30 100 W Seuil de rception : - 104 dBm C/I adj1 = - 9 dB C/I adj2 = - 41 dB C/I adj3 = - 49 dB C/I c = 9 dB

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GSM 900 : Interface RadioModulation GMSK Diversit de frquence et d'antennes Emission du mobile trois IT aprs la rception avec une avance de 63 bit maximum, soit 232,47 s soit 34,87 km pour la porte maximum d'une cellule GSM.

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GSM : ModulationGMSK = MSK filtr (saut de frquence) - enveloppe constante MSK = Offset QPSK avec continuit de phase et mise en forme OQPSK : QPSK sans les transitions suivantes 45 225 ou 135 315

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GSM : Gnralits Stucture : - Hypertrame (3h30 environ) : 2048 supertrames (utilise pour le chiffrement et saut de frquence) - Supertrame (6,12 secondes environ) : 51 multitrames de trafic 26 multitrames de signalisation 1326 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 s) : 156,25 bit - Bit : 3,69 s

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BibliographieCours C4 - CNAM Bernard Fino - Michel Terr "Rseaux GSM-DCS" - X. Lagrange, P. Godlewski, S. Tabbane, Ed.HERMES, 1997

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