2.3.2 Architecture du Rseaumobile

A la diffrence du rseau tlphonique fixe (vu prcdemment) dans lequel le terminal de chaque utilisateur est reli au rseau grce un seul point d'accs bien dfini, dans un rseau radio mobile, l'abonn est libre de se rendre dans n'importe quel endroit du rseau. Par consquent les donnes relatives l'abonn doivent tre disponibles sur toute la rgion desservir.

a) Technologies de tlphonie mobile Tableau rcapitulatif des technologies de tlphonie mobile:

b) Rseau 1G

La premire gnration de systmes cellulaires (1G) reposait sur un systme de communications mobiles analogiques.

Nous avons deux systmes qui ont t dvelopp travers le monde. Nous avons tout dabord durant les annes soixante lIMTS (Improved Mobile Telephone System) puis ds 1982, le systme AMPS (Advanced Mobile Phone System). On va aborder ce dernier un peu plus en dtail, le systme AMPS est bas sur le concept cellulaire. Chaque zone gographique est dcoupe en cellules de 10 Km 20 Km. Chaque cellule utilise une bande de frquence quon ne retrouve dans aucune des cellules adjacentes.

Le principe de rutilisabilit des frquences consiste utiliser les mmes bandes de frquences dans des cellules voisines mais pas adjacentes.

Chaque lettre reprsente une bande de frquence. Plus le nombre dutilisateurs est lev plus on a tendance diviser le nombre de cellule, permettant ainsi de rutiliser les frquences et donc daugmenter la capacit du rseau.

Chaque cellule est constitue dun metteur rcepteur connect une antenne, un ordinateur et une station de base BSC (Base Station Controller) situe au centre de la cellule. Toutes les stations de base sont relies un centre de commutations de mobiles appel MSC (Mobile Switching Center). Les MSC communiquent avec les BTS et le rseau RTC via un rseau commutation de paquets. c) Rseau 2G (GSM)Les systmes mobiles de deuxime gnration sont numriques. Nous avons quatre systmes en vigueur dans le monde, le D-AMPS, le GSM, le CDMA et le PDC (existe uniquement au Japon).tant donn que nous avons eu loccasion de travailler sur le systme GSM durant notre stage, nous dvelopperons uniquement ces deux derniers. Le D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System) est particulirement utilis aux Etats Unis et en Amrique du Nord en gnral. tabli en 1982, le Global System for Mobile Communications (GSM) est une norme numrique de seconde gnration (2G) destin principalement aux communications tlphoniques. Le systme GSM est galement de type cellulaire et fait appel au multiplexage frquentiel FDM. Chaque tlphone portable transmet sur une frquence et reoit sur une frquence plus leve (suprieure 55MHz). Il emploie galement le multiplexage temporel pour diviser une paire de canaux en slots de temps que se partagent plusieurs tlphones. La largeur de bande est quant elle de 200 KHz. Tel qu'il a t conu, le rseau GSM est idal pour les communications de type voix. Le rseau tant commut, les ressources ne sont alloues que pour la dure de la conversation. Le systme GSM dispose de 124 paires de canaux simplex, les canaux montants allant de 890 915 MHz et les canaux descendants de 935 960 MHz. Chaque canal possde une largeur de 200 kHz et supporte huit connexions spares obtenues grce au multiplexage temporel. Chaque station mobile se voit attribuer un time slot pour acheminer la communication. En thorie, chaque cellule peut supporter jusqu 992 canaux, cependant dans la pratique seule une partie est utilise pour raison dinterfrences avec les cellules voisines. Lmission et la rception sont effectues sur des slots diffrents. La figure suivante est un exemple de lutilisation de canaux GSM multiplexs. Pout transmettre vers la station de base, les frquences 890,4 et 935,4 Mhz (correspondant au canal 2) et le slot numro 2 (les slots sont numrots de 0 7) ont tait assignes au mobile. La trame TDM est une trame multiplexe dans le temps. Voici un aperu dun slot de donnes de la trame TDM.

000InformationSynchronisationInformation000

57 bits57 bitsBit de contrle

Trame TDMCanal

FREQUENCE (MHz)959,8

1: Base vers mobile 2: Mobile vers base12421

935,4 2

935,2 1

914,8124

890,42

890,21

Temps

Figure 2: Les 124 canaux GSM multiplexs

Architecture dun rseau 2G (GSM):Dans ce paragraphe nous allons tudier plus en dtail larchitecture dun rseau GSM qui se prsente ainsi:

Cette architecture se divise en deux parties majeures que sont le BSS (Base Station Subsystem) et le NSS (Network Susbsystem). Nous avons galement lOMC qui est charg de la maintenance du systme GSM. A titre dexemple, lOMC de Wana est situ Casablanca.

Le sous-systme des stations de Base (Base Station Subsystem) constitue la partie radio du rseau GSM, il permet la connexion entre la Station Mobile (MS) et la partie commutation du rseau GSM (le MSC). Le sous-systme des stations de Base est compos:

BTS (Base Transceiver Station) BSC (Base Station Controller) TRAU (Transcoder and Rate Adaptation Unit)

Station Mobile(MS):Les stations mobiles sont des entits physiques constitues de:

Lquipement permet dassurer la connexion radiolectrique avec le rseau. Dans la technologie GSM (UMTS galement), chaque appareil est identifi par un numro de srie Identity Mobile Equipement Identity ou plus couramment IMEI. Chaque terminal doit tre quip de carte puce (carte SIM) pour pouvoir tre utilis. La puce, comprend les donnes relatives aux clients. Tout dabord, elle est scurise, on y retrouve une cl dauthentification et de chiffrement appel code PIN. Elle permet de protger le contenu de lappareil. Chaque carte puce stocke quatre types dinformations. Tout dabord, les informations concernant le rseau, par exemple lidentifiant du rseau dorigine. La seconde catgorie, concerne les donnes relatives labonn, comme son numro dappel ou encore les numros de tlphone de ses contacts. La carte enregistre galement les services souscrits par le client, et le nom de ses oprateurs et fournisseurs.Enfin, elle enregistre les donnes du Public Land Mobile Network PLMN (liste des PLMN prfrentiels par ordre de priorit, frquence des PLMN). La sparation entre le terminal de communication et la puce relative labonnement du client permet la mobilit personnelle.BTS:La BTS (Base Transceiver Station) est une station terrestre qui assure les liaisons avec les stations mobiles susceptibles de se dplacer en surface.

Concept Cellulaire: Larchitecture du rseau tlphonique 2G est base sur le concept cellulaire. Lobjectif de ce concept est de rpartir un ensemble dmetteurs rcepteurs sur la zone couvrir de telle sorte que le terminal soit connect au rseau quelque soit son emplacement. La zone couverte est ainsi appele une cellule.

Lmetteur rcepteur varie en fonction de la technologie. Pour le GSM, il est reprsent par une station de base BTS.

Taille de la cellule:Une BTS classique, peut mettre un signal jusqu' une porte maximum de 35 Km. Pour un rayon compris entre 2 Km et 35 Km on parle de macro-cellule. Lorsque le rayon est compris entre 500 m et 2 Km la cellule est considre comme petite. Enfin, il existe galement des micros BTS, conues spcifiquement pour les zones urbaines. Elles dfinissent des micros cellules possdant un rayon infrieur 500 m. Rle de la BTS:La BTS gre toute la couche physique du rseau GSM. Les emplacements des Stations de Radio de Base (BTS), qui crent des cellules de couverture autour d'elles, sont un facteur majeur pour la couverture du rseau.Un TRX est un metteur-rcepteur capable de gnrer une paire de frquences porteuses GSM. Chaque TRX peut grer 7 8 communications simultanes par multiplexage temporel sur chaque frquence porteuse.Une BTS classique prsente une capacit maximale de 16 TRX, c'est dire qu'elle est capable dcouler au plus une centaine de communications simultanes.BSC: Base Station Controller (Contrleur de Station de base) est l'un des lments cls du rseau GSM. Son rle est de commander un certain nombre de BTS (jusqu' plusieurs centaines). De la mme manire, plusieurs BSC sont relies lentit hirarchique suprieure du rseau mobile, le Mobile service Switching Center (MSC).Linterface A est le lien entre un BSC et un MSC, tandis que le lien Abis, joint un BSC et une BTS (lien 2 Mbit).

La BTS est lentit charge de la gestion de la couche physique du lien radio. Le BSC quant lui, constitue la partie intelligente permettant cette liaison. Il dcide ainsi de l'activation ou de la dsactivation d'un canal destin une station mobile, de la puissance d'mission des BTS et des MS et enfin gre la liaison entre les cellules (handover). Le Handover (transfert automatique intercellulaire) est un mcanisme fondamental dans la communication cellulaire (GSM et UMTS). Il permet le maintien dune communication lorsque labonn mobile se dplace dune cellule une autre. Lorsque le signal de transmission entre la station de base et le tlphone mobile diminue fortement, lappareil change de station. La communication est donc assure et labonn continue de bnficier des meilleures conditions. Nous avons plusieurs distinctions de Handover. Intra-cell handover (dans une mme cellule) Intra-BSC handover (deux BTS qui sont relies au mme BSC) Inter-BSC handover (deux BSC diffrents) Inter-MSC handover (le BSC fait appel au(x) Mobile service Switching Center(s) (MSC) suprieur(s)). 2G-3G handover (passage dune couverture de type 2G une autre de type 3G)Le MS et la BTS effectue des mesures de performance et de qualit du lien radio, ils combinent leurs rsultats en une seule mesure, et envoie un rapport au BSC pour analyse. Cest partir de ce rapport que le BSC effectue le contrle de la puissance de la BTS et les changements de cellules (Handover). Le BSC gre galement les flux de donnes en provenance des BTS. Limage suivante montre la structure physique dun BSC Huawei.

GBCR(GSM Base Control): Cabinet constitu de plusieurs racks, permettant de contrler les diffrentes interfaces, et les GBSR. GBSR(GSM Base Service): Cabinet responsable uniquement de linterface abis, il est constitu de cartes de service, dinterfaces abis et de cartes processeur. quipements:Le GBCR et le GBSR sont des quipements internes du BSC et servent traiter les signaux reus depuis les BTS et ralisent plusieurs autres fonctions. Chaque BSC peut contenir au maximum un GBCR et trois GBSR. quipements OM(Opration et maintenance): Le LMT est un logiciel de Huawei, permettant de configurer le BSC, et constitue le lien entre la machine et lhomme. Comme son nom lindique, la boite alarme, contient des alarmes audibles et visuelles travers des LED. Nous avons enfin des cbles de types Ethernet pour relier le BSC aux quipements de supervision et configuration tel que les ordinateurs, on utilise galement des ports sries. TRAU: Transcoder and Rate Adaptation Unit (ou unit de transcodage et d'adaptation de dbit), est un quipement de transcodage utilis dans les rseaux GSM.Le dbit du canal radio GSM est de 16 kbit/s, tandis que celui du canal du tlphone fixe utilis pour relier le BSC au MSC est de 64 kbit/s, il est donc ncessaire de raliser un transcodage.

MSC: Le MSC (Mobile Switching Center) est un quipement de tlphonie mobile de deuxime gnration GSM en charge du routage des appels dans le rseau, de l'interconnexion avec les autres rseaux comme le RTC et de la coordination des appels. Le MSC gre galement ltablissement des communications entre un mobile situ dans sa zone de couverture et un autre MSC.

Un MSC est charg de plusieurs BSC qui eux mmes concentre le trafic de plusieurs BTS. Chaque MSC est associ un VLR possdant les informations des usagers que le MSC doit grer.Les rles principaux d'un MSC sont de: Raliser la commutation. Le MSC est un centre de routage dappels et de multiplexage. Les MSC sont relis entre eux, ainsi qu'aux passerelles d'accs aux autres rseaux Assurer la localisation, l'itinrance, la gestion des connexions et lactivation/dsactivation d'un canal vers une MS grce au VLR qui lui est ddi Grer lexcution du handover lorsquil ncessite un changement de MSC (inter-MSC Handover) ou entre deux BSC dont il a la charge (intra-MSC Handover).Registre de localisation nominale (HLR : Home Location Register): Le HLR est une base de donnes qui mmorise les donnes suivantes: les caractristiques quasi-permanentes de chaque abonn : Identit internationale utilise par le rseau (IMSI). Numro de tlphone. Profil de labonnement (services autoriss : appel international...). Caractristiques dfinies par loprateur partir de son systme dadministration.

la localisation momentane de chaque abonn : Numro du VLR correspondant la zone gographique courante de labonn (mme si labonn se connecte sur un PLMN tranger). Localisation effectue partir des informations mises par la MS travers le rseau.Nous avons deux types dimplantation sur le rseau pour le HLR. Implantation centralise : le HLR constitue un quipement spcifique et peut grer plusieurs centaines de milliers dabonns. Implantation dcentralise : le HLR est rparti dans les MSC et les donnes dun abonn sont alors physiquement stockes sur le MSC o il communique le plus souvent. Cela permet de rduire les changes de signalisation.Dans tous les cas, un abonn est associ un HLR indpendamment de sa localisation momentane. Cette identification se ralise grce au numro de tlphone (MSISDN) ou de lidentit internationale (IMSI).VLR:Le VLR est galement une base de donnes mmorisant temporairement les donnes relatives aux abonns prsents dans sa zone de couverture (TMSI). Un ensemble MSC/VLR peut grer jusqu une centaine de milliers de clients. En pratique, le VLR est intgr dans le MSC, permettant ainsi de simplifier les changes pour ltablissement des appels.d) CDMALe systme CDMA (Code Division Multiple Access) est un systme de deuxime gnration et de troisime gnration. Il diffre des systmes vu prcdemment comme le GSM. Au lieu de rpartir la plage de frquence en plusieurs canaux, elle autorise chaque station mettre sur la totalit du spectre.

e) Rseau 3G: UMTSAprs la premire gnration de tlphone mobile caractrise par la modulation analogique, et de la seconde gnration, numrique cette fois ci, une troisime gnration lIMT 2000 (Internationale Mobile Telecommunications, 2000 pour la frquence et lanne) a vu le jour. Lide fondatrice de ce systme tait dintgrer tous les rseaux de seconde gnration (GSM / D-AMPS, etc.) dans un mme rseau intgrant galement des fonctions multimdia (haut dbit pour les donnes). LUMTS (Universal Mobile Telecommunications System) est un systme de troisime gnration.

Les principales diffrences entre le GSM et lUMTS sont reprsentes dans le tableau suivant:

Au niveau de larchitecture du rseau UMTS, la grande diffrence par rapport au GSM est que le rseau GSM est compos de deux sous rseau comme lillustre la figure ci-dessous: le rseau Core Network et le rseau radio UMTS Radio Acces Network Le core network est hrit de larchitecture NSS du GSM, et est constitu dune partie de commutation de circuits (MSC GSM) et dune partie de commutation de paquets (SGSN GPRS).En UMTS, le MSC/VLR et le SGSN sont parfois intgrs dans un mme quipement appel UMSC (UMTS Mobile service Switching Center). LUMTS Radio Acces Network est compltement distinct du BSS du GSM. Il est constitu de un ou plusieurs RNC (Radio Network Controllers), dont dpendent des Nodes B, et qui jouent un rle proche respectivement des BSC et des BTS dans larchitecture GSM.

Conclusion:

Nos activits au sein de lentreprise concernaient le dploiement et loptimisation du rseau GSM. Ltude ralise dans les pages prcdentes permettent de mieux comprendre les tches quon a eu loccasion deffectuer durant notre stage. Pour rappel le GSM est constitu des trois parties suivantes:

Mobile Station (MS): Equipement servant dinterface entre lutilisateur et le rseau Base Station Subsystem (BSS): Transmission et rception du signal et gestion des ressources radio Network Subsystem (NSS): Interconnections des rseaux

Modulation GMSK: Gaussien Minimum Shift KeyingPour diminuer l encombrement spectral du signal MSK.on ajoute un filtre passe-bas gaussien qui filtre le signal en bande de base avant d etre appliqu l entre du modulateur MSK.Le signal modul est alors gnr l aide d un VCO attaqu par un signal en bande de base de type NRZ filtr par un filtre gaussien.-l occupation spectraleest diminue.-la rponse impulsionnelle a un faible dpassement. -la variation de phase du signal modul ne peut prendre que deux valeurs pour les multiples impairs de Ts et pour les multiples pairs de Ts comme pour une modulation MSK. Caractristique du filtre gaussienLa rponse en frquence du filtre gaussien est donne par l expression suivante:

C est un filtre passe-bas de frquence de coupure -3 dB gale B.A l entre du filtre passe-bas gaussien,le signal en bande de base correspond des impulsions rectangulaire de dure Ts.On caractrise gnralement le filtre gaussien par la valeur du produit B *Ts ou Ts reprsente la dure d un symbole (codage binaire Ts=Tb),et B la frquence de coupure -3 dB du filtre gaussien.On obtient alors le signal suivant la sortiedu filtre gaussien:

On a trac la rponse du filtre gaussien pour trois valeurs du paramtre BTs.Pour un produit BTs =0.3 la dure de l impulsion stale sur une dure pratiquement gale 4 bits.Pour un produit BTs=0.5 la dure de limpulsion stale sur une dure pratiquement gale 2 bits.Lorsque le produit BTs est infrieur 1,alors le spectre du signal GMSK est plus troit que celui de la modulation MSK.Application:la modulation GMSK est utilis pour le tlphone mobile GSM.Pour cette application le produit BTs est gale 0.3 et 99% de la puissance RFdun signal GMSK est comprise dans une bande de 250 khz.En pratique la largeur dun canal vaut 200 khz et le dbit binaire dun trame est gale 271 kbits/s ce qui donne une efficacit spectrale denviron 1.3 (bits/s)Hz.Pour la norme DECT (Digital European Cordless Telephone),on utilise une modulation GMSK evec un produit BTs gale 0.5,le dbit binaire vaut 1.15 Mbits/s et la largeur dun canal est gale 1.728 MHz.