Ecole Supérieure d’Economie NumériqueLes technologies sans fil (GSM, GPRS, UMTS, WiFi, WiMax,…) offrent une extrême liberté d’usage pour les utilisateurs «nomades» en assurant

RÉSEAUX MOBILES

Ikbel DALY BRIKI

Ecole Supérieure d’Economie Numérique

PLAN

Chapitre 1 Introduction

Chapitre 2 Les réseaux cellulaires

Chapitre 3 Les réseaux satellitaires

Chapitre 4 Les réseaux sans fil

Chapitre 5 Architecture des réseaux WiFi

Chapitre 6 QoS dans les réseaux sans fil

Chapitre 7 Sécurité des réseaux sans fil

Axes de Recherche

2

PLAN








Axes de Recherche

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CHAPITRE 1 INTRODUCTION

4

BESOINS DES UTILISATEURS (1)

Mobile = tout en un

5


Mobile = accès à tout

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Types de flux diversifiés : voix, images, sons,

textes, data

Types d’applications

Du très général (eg. messagerie) au spécifique

(travail personnel et spécialisé)

Du grand public au spécialiste (commercial, médecin

urgentiste…)

Qualité de service

Débit, temps de réponse

Disponibilité (« anywhere, anytime connected »)

Sécurité

Terminaux : intégration (tout en un)7

PERFORMANCES DES APPAREILS SANS FIL

Equipements

Smartphone

Tablette

PDA

Portable

...

Puissance limitée

Par la batterie, la mémoire, le disque dur

Par la transmission sans fil

Par le réseau de rattachement

Interfaces utilisateurs simplifiées

Taille des écrans

Terminaux clients8

MOTIVATIONS

Les réseaux radios

Diversité des services offerts

Aussi bien pour des applications « grand public » que pour une utilisation en entreprise.

Le domaine des communications

Les technologies sans fil (GSM, GPRS, UMTS, WiFi, WiMax,…) offrent une extrême liberté d’usage pour les utilisateurs «nomades» en assurant une continuité des services à la fois performante et économique via des terminaux adaptés, fiables et relativement peu coûteux (PC portable, PDA, téléphone mobile, …).

Exemples de services offerts en mobilité

L’accès internet haut débit via les hot spots publics

Services vidéo, mail, chat, forums et travail collaboratif

Service à domicile via les boîtiers multiplay (free box, live box…)

9

DOMAINES D’APPLICATION (1)

Les principaux domaines d’application des réseaux

mobiles :

Le travail collaboratif et les communications

dans des entreprises ou bâtiments : dans le cadre

d’une réunion ou d’une conférence ou d’une

couverture d’évènements sportifs,

Réseaux de senseurs (capteurs) : pour des

applications environnementales (climat, activité

de la terre, suivi des mouvements des animaux,

etc.) ou domestiques (contrôle des équipements à

distance),

10

Les principaux domaines d’application des réseaux mobiles :

Réseaux domestiques (Home network) : partage d’applications et communications des équipements mobiles exemple l'organisation d'une soirée de jeux vidéo en réseaux où chacun apporte son matériel,

Applications commerciales : pour un paiement électronique distant (en taxi) ou pour l’accès mobile à l’Internet ou service de guide en fonction de la position de l’utilisateur,

Réseaux en mouvement : informatique embarquée et véhicules communicants pour avoir des informations sur le trafic disponible en temps réel (Vehicular Ad hoc Network, VANET).

DOMAINES D’APPLICATION (2)

11

RÉSEAUX MOBILES

Un réseau mobile fournit au moins un des deux

services caractéristiques de la mobilité :

Lui proposer un accès sans fil à l’information.

Lui permettre de se déplacer à travers le réseau en

conservant une même adresse

Adressage mobile

mobilité GSM : l’abonné apparaît dans un sous-

réseau particulier ; lorsqu’il quitte son domaine

d’abonnement pour un autre domaine (dit visiteur), il

effectue de la mobilité

mobilité IP : une seule adresse IP (adresse logique

du destinataire du paquet IP) suffit pour qu’un

abonné puisse être localisé n’importe où dans le

réseau Internet. 12

TRANSMISSION SANS FIL

Support de transmission sans fil

Le concept de sans fil est étroitement associé au support de

transmission.

Un système est dit sans fil s’il propose un service de

communication totalement indépendant de prises murales.

Dans cette configuration, d’autres moyens d’accès sont exploités

Infrarouge

Onde électromagnétique de longueur d'onde inférieur au visible

(entre 0,78 μm à 1 000 μm)

Télécommandes : n'interfèrent pas avec les autres signaux

électromagnétiques comme les signaux de télévision.

Communication à courte distance entre PC et périphériques

Ondes hertziennes (ou ondes radio).

Onde électromagnétique dont la fréquence est inférieure à 3000

GHz, soit une longueur d'onde supérieure à 0,1 mm.

Classification en fonction de la fréquence

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VAGUES DES RÉSEAUX MOBILES

Grand public – Vagues des réseaux sans fil

Vague 1 : téléphonie mobile

Encore en cours

Business le plus important

Vague 2 : Accès sans fil à Internet

Accès Internet via les WLAN (Wifi) personnels, d’entreprises ou d’organisations

2.5 G et 3G en compétition pour l’accès à Internet via le mobile

Vague 3 : Réseaux ad hoc (actuellement)

Interconnexion de mobiles non reliés à des infrastructures

Interopérabilité entre réseaux hétérogènes

Vague 4 : équipements de plus en plus invisibles !

14

CLASSIFICATION DES RÉSEAUX MOBILES (1)

15

CLASSIFICATION DES RÉSEAUX MOBILES (2)

16

PLAN








Axes de Recherche

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CHAPITRE 2 LES RÉSEAUX CELLULAIRES

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HISTOIRE DES RÉSEAUX CELLULAIRES (1)

Développement des réseaux sans fil

1910 : Ericson travaille sur le premier téléphone

pour voiture.

1912 : attribution des fréquences radios et des

licences aux opérateurs téléphoniques

1940 : pendant la seconde guerre mondiale,

l’armée américaine utilise pour la première fois

dans signaux radio pour transmettre de données.

1971 : un groupe de chercheurs crée le premier

réseau de communication radio basé sur la

commutation de paquets, appelé ALOHAnet.

C’est le tout premier réseau sans fil, constitué de

7 ordinateurs reliés en étoile. 19

HISTOIRE DES RÉSEAUX CELLULAIRES (2)

Années 80 (1G) : voix analogique technologie analogique qui utilise une bande de fréquences

non enregistrée (902-928 MHz) ce qui cause des interférences avec toutes sortes de machines.

AMPS en 1982, Radiocom en 1982

Années 90 (2G) : voix numérique et messagerie texte transmission numérique pour augmenter la capacité,

améliorer la sécurité et offrir la messagerie texte (SMS).

GSM en 1991

GPRS en 2000 (2,5G ou 2G+) : dérivée du GSM permettant un débit de données plus élevé.

Années 2000 (3G) : voix et données numériques services numériques de voix et de données à haut débit.

UMTS, W-CDMA en déploiement mondial

Années 2010 (4G) : Services haut-débits

LTE (Long Term Evolution)20

RÉSEAUX CELLULAIRES

C’est la rareté du spectre radio qui a conduit les

opérateurs à découper le territoire en zones

(cellules), de taille variable selon la densité des

utilisateurs.Les différentes tailles de

cellules d’un réseau cellulaire

21

OBJECTIFS DES RÉSEAUX CELLULAIRES

Offrir une large couverture et tenir compte de la

mobilité

1G : voix, sans localisation et sans mobilité

2G : voix, localisation / mobilité

3G : id. + paquets

4G : id + inter-technologie

Offrir un service à de nombreux usagers

Intégrer de plus en plus de services

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PROBLÉMATIQUE DE LA MOBILITÉ

Localisation des utilisateurs

Pour établir une communication, il faut savoir dans quelle cellule l'abonné se trouve.

Transfert inter-cellulaire (Handover)

Il doit y avoir continuité de la communication lorsque l'abonné passe d'une cellule à une autre

Roaming

Si la mobilité d'un abonné s'étend à plusieurs pays, des accords de roaming doivent alors être passés entre les différents opérateurs pour que les communications d'un abonné étranger soient traitées et aboutissent.

Sécurité

Pour éviter les écoutes frauduleuses des communication (authentification, cryptage, identité temporaire).

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GÉNÉRATION DES RÉSEAUX CELLULAIRES (1)

1ère génération (1G) : voix

Transmission analogique, contrôle numérique

Concept de cellule

NMT, R2000, AMPS, téléphone sans fil : CT0, CT1

2ème génération (2G) : Voix/données

Transmission et contrôle numériques

IS-95, GSM (Global System for Mobile

communication), CT2, DECT

2G+ : Mobitext, GPRS

3ème génération (3G) : UMTS/IMT-2000,

WCDMA,

CDMA2000, EDGE

Un seul système pour la voix et les données

4ème génération (4G) : Wimax, LTE

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GÉNÉRATION DES RÉSEAUX CELLULAIRES (2)

25

PRINCIPE DE BASE

BTS : Base Transceiver Station

BSC : Base Station Controller

MSC : Mobile Switching Center

26

PRINCIPE DE BASE

27

PRINCIPE DE BASE

Cellule

Cellule = la surface avec laquelle une BTS peut

établir une liaison avec un téléphone mobile.

Principe = diviser une région en un certain

nombre de cellules desservies par une BTS de

faible puissance, émettant à des fréquences

différentes de celles utilisées sur les cellules

voisines.

Allocation des fréquences = le nombre de

fréquences accordées étant restreint, l'opérateur

est obligé de réutiliser les mêmes fréquences sur

des cellules suffisamment éloignées de telle sorte

que deux communications utilisant la même

fréquence ne se brouillent pas.

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PRINCIPE DE BASE

Les cellules

Chaque cellule a sa fréquence de communication

Possède 6 voisins

pour éviter de gaspiller les fréquences et d’interférer

entre les cellules : technique SDMA

Space Division Multiple Access

Schéma d’attribution des fréquences

But : les cellules adjacentes ne doivent

pas avoir la même fréquence

de communication

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PRINCIPE DE BASE

30

PRINCIPE DE BASE

31

ENVIRONNEMENT RADIO-MOBILE

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DÉGRADATIONS DE L’ONDE

Atténuation due à la distance parcourue

(pathloss),

Effets de masques (shadowing effects),

Evanouissements (fadings) par propagation

multitrajet.

Brouillages causés par d'autres émissions :

Interférences (co-canal ou canal adjacent),

Bruit ambiant.

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CARACTÉRISTIQUES DE LA PROPAGATION

Les caractéristiques de propagation dépendent :

Morphologie du terrain,

Densité de végétation,

Hauteur, combinaison, nature et densité des

bâtiments,

Conditions météo,

Etc.

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MULTITRAJETS

Origine : Réflexions multiples sur les obstacles

rencontrés par l'onde.

Deux effets :

Positif

Négatif

35

EFFETS POSITIFS DU MULTITRAJET

Communications réussies même en présence de

masque : contournement des obstacles.

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EFFETS NÉGATIFS DU MULTITRAJET

Mutlipath spread= (longer path-shorter path)/c ;

où c désigne la vitesse de la lumière.

Dépendance: Direction, réflectivité et distance

entre les objets.

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INTERFÉRENCES

Co-canal

Canal adjacent.

38

INTERFÉRENCE CO-CANAL

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INTERFACE RADIO-MOBILE

Caractéristiques :

Complexité,

Diffusion.

Environnement de transmission :

Changeant,

Emetteurs/Récepteurs mobiles,

Multitrajets,

Limitation du spectre.

40

UHF (Ultra High Frequency) : De 300 MHz à 3 GHz = Radiofréquences

SPECTRE

41

Les ressources spectrales sont limitées.

Chaque pays a une agence gouvernementale pour

contrôler et allouer les ressources spectrales.

Les ressources spectrales sont contrôlées par :

Mondiale : International Telecommunications Union

(ITU).

USA : Federal Communications commission (FCC).

EU : European Telecommunications standards

Institute (ETSI).

Tunisia : Agence Nationale de la fréquence (ANF).

ALLOCATION DU SPECTRE DE FRÉQUENCE

42

ALLOCATION DU SPECTRE UHF EN FRANCE

43

ALLOCATION DU SPECTRE UHF EN FRANCE

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Des bandes de fréquences utilisés Gratuitement

Pour encourager l’innovation et les

implémentations de faible coûts.

Des systèmes sans fils ont vu succès grâce à cette

bande. ex : Bleutooth, Wireless LAN, téléphones

sans fils

BANDES DE FRÉQUENCES SANS LICENCE

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LES SERVICES GSM

La voix

Les données

le WAP (Wireless Application Protocol), le Fax ou bien les fonctions d'un modem filaire classique

Les messages

Les messages écrits courts (SMS)

Le MMS (Multimedia Messaging Service)

Le Cell Broadcast (diffusion dans les cellules)

Permet d'envoyer le même SMS à tous les abonnés à l'intérieur d'une zone géographique

Les services supplémentaires

renvois d'appels, présentation du numéro, etc.

Les services à valeur ajoutée

Les services de localisation (Location Based Services), d'information à la demande (météo, horoscope), de banque (consultation de compte, recharges de compte prépayées)

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ARCHITECTURE DU RÉSEAU GSM

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ARCHITECTURE DU RÉSEAU GSM

Mobile Station (MS)

Mobile Equipment (ME)

Subscriber Identity Module (SIM)

Base Station Subsystem (BSS)

Base Transceiver Station (BTS)

Base Station Controller (BSC)

Network Switching Subsystem(NSS)

Mobile Switching Center (MSC)

Home Location Register (HLR)

Visitor Location Register (VLR)

Authentication Center (AUC)

Equipment Identity Register (EIR)

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ARCHITECTURE DU RÉSEAU D’ACCÈS BSS

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STATION MOBILE (MOBILE STATION-MS)

La Station Mobile est composée du :

Mobile Equipment(le terminal GSM)

Subscriber Identity Module(SIM).

Mobile Equipment

Le Mobile Equipmentest identifié

(exclusivement) à l'intérieur de n'importe quel

réseau GSM par l'International Mobile

Equipment Identity (IMEI).

Les terminaux GSM sont divisés en cinq classes

en fonction de leur puissance maximale de

transmission sur le canal radio. 50

STATION MOBILE (MOBILE STATION-MS)

Carte SIM (Subscriber Identity Module)

Contient l'International Mobile Subscriber Identity (IMSI), qui

sert à identifier l'abonné dans n'importe système GSM, et les

procédures de cryptographie qui sauvegardent le secret de

l'information de l'utilisateur ainsi que d'autres données telles

que;

la mémoire alphanumérique du téléphone

la mémoire relative aux messages de texte (SMS).

L'IMSI présente la structure suivante: MCC / MNC / MSIN où:

MCC = Mobile Country Code(2 ou 3 chiffres, pour la Tunisie

216)

MNC = Mobile Network Code(2 chiffres)

MSIN = Mobile Station Identification Number (maximum 10

chiffres)

51

BSS (BASE STATION SUBSYSTEM)

BSS = BTS + BSC

Sa fonction principale est la gestion de l'attribution

des ressources radio indépendamment des

abonnés, de leur identité ou de leur communication.

BTS (Base Transmission Station)

L'antenne

Gère la liaison radio antenne – mobile

Gère la couche physique et liaison de donnée

BSC (Base Station Controller)

Organe intelligent du BSS

Gère plusieurs BTS

Allocation des canaux de communication

Surveillance de la puissance des MS et des BTS

Gestion itinérance et transfert communication

Interagit avec le réseau de coeur NSS

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ARCHITECTURE DU RÉSEAU DE COEUR

NSS (NETWORK SWITCHING SUBSYSTEM)

53

MSC (MOBILE SWITCHING CENTER)

Centre de commutation radio mobile

Commutateur en charge des services en mode circuit

des stations mobiles enregistrées dans la zone

géographique qu'il gère

Prend en charge plusieurs BSS

Fonctionnalités

Gestion des appels

Gestion du handover

Interconnexion avec le réseau fixe (RTC, RNIS,

Internet) via le GMSC

Gestion des terminaux visiteurs

GMSC (Gateway MSC)

Effectue le routage des appels du MSC vers le réseau

fixe et inversement

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LES BASES DE DONNÉES

HLR (Home Location Register)

Registre des informations des mobiles locaux (IMSI, MSISDN)

Adresse du VLR où le mobile est localisé

VLR (Visitor Location Register)

Registre des terminaux visiteurs

Informations précises sur la position actuelle du visiteur mobile

et de son déplacement dans une zone de localisation

Zone de localisation (location area) = ensemble de cellules

gérées par un même MSC/VLR

EIR (Equipment Identity Register)

Registre des identifiants des équipements mobiles (conditions

d'abonnement)

Informations grossières sur la localisation de l'abonné

AuC (Authentification Center)

Registre contenant les informations confidentielles destinées à

l'authentification de l'abonné

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LES FONCTIONS DU RÉSEAU CELLULAIRE

Gestion des ressources Radio RR (Radio Resource Management)

Sélection de cellule (choix de la porteuse), ouverture d’une connexion, contrôle en cours de communication, handover, terminaison

Gestion de la mobilité MM (Mobility Management)

Gestion de l’itinérance, procédure de mise à jour de zone de localisation

Gestion de la sécurité Protéger l’utilisateur et le réseau

usurpations d’identité, écoutes frauduleuses, utilisations abusives

Authentification

Cryptage

Gestion des connexions CM (Connexion Management)

Établissement et relâchement des appels

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Contrôle en cours de communication (RR)

Garantir une bonne qualité de la liaison

Contrôle de puissance

Le BSS détermine les niveaux de puissance

adéquats (grâce aux mesures)

Utilisation du SACCH (Slow Associated Control

CHannel ) pour la compensation temporelle (ou

timing advance)

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Gestion de la mobilité (MM):

Gestion de l’itinérance et de la sécurité

États d’un mobile

Éteint

mémorisation de la dernière localisation connue

Commutation sur la messagerie

Idle

Informe régulièrement le réseau de ses changements de localisation (IMSI-attached)

actif

Procédure d’attachement

pour indiquer le retour du mobile dans le réseau

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Mise à jour de la localisation (MM):

Gestion de l’itinérance

Deux mécanismes de base

Localisation (précise) Savoir où se trouve le mobile à tout moment

Recherche (paging) Émettre des messages d’avis de recherche dans les cellules visitées

dernièrement

Position précise : coût de localisation important mais pas de recherche rapidité)

Position imprécise : coût de recherche élevé (signalisation élevée) mais coût de localisation faible

Zones de localisation

Ensemble de cellules, critères : nombre moyen d’appels, direction privilégiée des HO, autoroutes,…

Plusieurs zones par VLR/MSC

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Mise à jour de la localisation (MM):

Procédure de mise à jour de localisation :

Le mobile sait qu’il change de zone de localisation grâce

au canal BCCH (Broadcast Common Channel)

Il prévient le nouveau VLR (donne son TMSI)

Le nouveau VLR (qui peut être l’ancien) récupère auprès

de l’ancien le profil du mobile

Le VLR informe le HLR de la nouvelle zone de

localisation du mobile

Le HLR demande à l’ancien VLR d’effacer les infos

relatives au mobile (si VLR différent)

Procédure qui met à jour les informations de

localisation du mobile dans le VLR et le HLR60


Sécurité (MM):

Protéger l’utilisateur et le réseau

Usurpations d’identité, écoutes frauduleuses, utilisations

abusives

Authentification

Le réseau transmet Rand (128 bits)

Calcul (mobile et réseau)

Transmission du résultat

Ki secrète, jamais transmise

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Sécurité (MM):

Cryptage

Protection contre les écoutes inopportunes

De Ki + Rand + A8 est calculée la clé Kc

Kc : 64 bits

Séquence générée par A5(Kc,numéro de trame)

Combinaison avec la séquence à émettre

IMEI (terminal physique)

Vol,…

EIR (Equipment Identity Register)

62


Sécurité (MM):

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Gestion des connexions (CM) :

Établissement et relâchement des connexions

Basé sur la signalisation SS7

Appel issu du mobile

Allumé

Parcourt des fréquences

État Idle

Signalisation périodique pour la localisation

Composition d’un numéro

Envoi d’une demande de connexion (via RACH)

Allocation d’un canal dédié de signalisation SDCCH (via

AGCH)

Procédures d’authentification et d’autorisation d’appel

Le réseau route la demande vers le PSTN (SS7)

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Gestion des connexions (CM) :

Appel vers un mobile

Appel en utilisant le MSISDN

Appel acheminé jusqu’au GMSC le + proche

Le HLR du mobile est interrogé pour

trouver le VLR courant

vérifier les caractéristiques de l’abonnement

traduction du MSISDN en IMSI

Le VLR diffuse le message de paging (PCH) dans la zone de localisation

Réponse du mobile (demande d’ouverture de canal (via RACH, réponse paging)

Établissement comme précédemment (entre GMSC et le mobile via VLR-MSC)

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Etablissement d’appel :

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Documents

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