Support-Mooc-Semaine1A3__1_

Mooc

Introduction aux rseaux mobiles

Mooc

Supports de cours

Anne 2014

Xavier Lagrange, Alexander Pelov, Gwendal Simon

Table des matires

Semaine 1 : Architecture, service et rgulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Semaine 2 : Le rseau tlphonique et ses volutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Semaine 2 : Scurit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Semaine 3 : Gestion de la mobilit et des appels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Semaine 3 : Intgration des rseaux orients paquets (optionnel) . . . . . . . . . . . . . 33

1 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014

1. Architecture (semaine 1)

1.1. Station de base et antennes On voit les antennes des stations de base mais lantenne nest pas tout !


1.2. Notion de cellule Le territoire est divis en "cellules", desservies chacune par une station de base,

l'ensemble de ces cellules formant un seul rseau (sans que cette division soit perceptible ni un usager du rseau fixe, ni un usager mobile)

Les mmes canaux de frquence sont rutiliss dans plusieurs cellules selon la capacit du systme rsister aux interfrences (voir cours 2)

En zone rurale (faible densit dutilisateurs), les stations de base sont dployes pour assurer une couverture : si possible, en tout point du territoire, un terminal est sous la porte dune station de base et peut latteindre

En zone urbaine (forte densit dutilisateurs), les stations de base sont dployes pour couler le trafic : la densit des stations de base est impose par la charge couler

3

Semaine 1 : Architecture, service et rgulation



1.3. Voie balise ou beacon channel Couverture n'est pas parfaite (zones non couvertes) Comment indiquer l'utilisateur que le service est disponible ?

Rponse : en imposant chaque station de base de transmettre rgulirement un signal de rfrence et des informations systmes comme l'identit de l'oprateur, une rfrence de la cellule, les rgles d'accs la cellule (elle peut tre en maintenance et seulement accessible des fins de test).

Un terminal lit les informations systmes et peut dterminer s'il est bien l'coute du bon rseau. Il mesure la puissance reue et peut dterminer si la liaison avec le rseau est correcte.

Notion de Voie Balise ou Beacon Channel

4


1.4. Commutateur MSC et base de donnes de localisation HLR Plusieurs stations de base sont relis un commutateur appel MSC, Mobile-services

Switching Center Un MSC permet ltablissement, le maintien et la fin des communications des terminaux

dans une zone gographique donne A lorigine, cest un commutateur tlphonique enrichi de fonctions de gestion de la

mobilit

Le rseau comporte une base de donnes appel HLR, Home Location Register, qui contient pour chaque abonn son profil (identit, services souscrits, restrictions,) sa localisation (trs imprcise)


5


1.5. Principe du VLR

Gestion de la mobilit, une volution de la tlphonie traditionnelle Conservation (au dpart) de larchitecture et des protocoles de la tlphonie

traditionnelle

Dveloppement dun nouveau protocole pour grer la mobilit MAP, Mobile Application Part


Gestion de la mobilit, une volution de la tlphonie traditionnel

le VLR (Visitor Location Register) contient la liste des abonns grs par le VLR le profil de chaque abonn gr par le VLR (identit, services souscrits,

restrictions,) une information de localisation en gnrale plus prcise de labonn que le HLR

VLR = image d'une partie du HLR (principe de la mmoire cache)

6


1.6. BTS et BSC Initialement, des liaisons points--points entre les stations de base et les MSC/VLR

Cot dune liaison = proportionnelle la distance mais faiblement dpendante du dbit (cot dinfrastructure)

Intgration dun quipement intermdiaire dans GSM : BSC, Base Station Controller

Double rle du BSC concentration du trafic contrle de la station de base

BTS, Base Transceiver Station couvre un territoire restreint (i.e. une cellule), de quelques centaines de mtres

quelques dizaines de kilomtres ( lavenir, quelques dizaines de mtres) gre la transmission et la rception du signal avec les terminaux

BSC, Base Station Controller contient les algorithmes dallocation de la ressource radio et gre les messages

associs (exemple, allocation dune frquence et dun intervalle de temps)


Station de base

1) couvre un territoire restreint (i.e. une cellule), de quelques centaines de mtres quelques dizaines de kilomtres ( lavenir, quelques dizaines de mtres)

2) gre la transmission et la rception du signal suivant des formats et un protocole spcifique chaque gnration (2G, 3G, 4G)

3) contient les algorithmes dallocation de la ressource radio et gre les messages associs (exemple, allocation dune frquence et dun intervalle de temps)

En 4G(LTE), fonctions 1, 2 et 3 sont dans le mme quipement appel eNodeB En 2G et 3G, la fonction 3 est prise en charge par un quipement spcifique

7



1.7. Notion de zone de localisation Un abonn peut se trouver dans nimporte quel cellule du rseau et il faut pouvoir

lappeler.

Deux principes de bases lmentaires et opposs pour appeler un abonn mobile mettre les appels sur toutes les cellules du systme = paging connatre tout moment la localisation du mobile grce une procdure de mise

jour de localisation (location updating procedure) => possible grce la voie balise

8


dplacement du mobilemessage de signalisation

Paging Paging Paging

Inscription

Inscription

zone de localisation

`

Zone de localisation

Une Zone de localisation (location area) est un ensemble de cellules l'intrieur duquel un mobile peut se dplacer sans se signaler au rseau. Lorsque le mobile entre dans une nouvelle zone de localisation, il le signale au rseau.


1.8. Architecture traditionnelle de GSM

BTS : Base Transceiver Station

BSC : Base Station Controller

MSC : Mobile-services Switching Centre

VLR : Visitor Location Register

HLR : Home Location Register

AuC : Authentication Center

9


2. Historique et rgulation 2.1. Services et diffrentes gnrations Gn-

ration

Services principaux Nom de la technologie en Europe

Type daccs sur la voie radio

Priode de vie

1 Tlphonie R2000, NMT,.. Analogique FDMA 1980-1995

2 Tlphonie, SMS GSM TDMA 1995-

2.5 Tlphonie, SMS Accs IP 100 kbit/s

extension GPRS-EDGE

+ accs paquet et nouvelle modulation

2000-

3 Tlphonie, SMS Accs IP 1 Mbit/s

UMTS CDMA 2002-

3.9 Tlphonie, SMS Accs IP 10 Mbit/s

extension HSDPA

CDMA + accs paquet et nouvelle modulation

2008-

4 Accs IP 100 Mbit/s avec faible latence

LTE, LTE-advanced

OFDMA 2010-


2.2. Services et bande de frquences Sur un plan thorique, quasi-indpendance entre la technologie et la gamme de

frquence utilise

En de de 3 GHz, - peu dinfluence de leau et de loxygne - si on multiplie la frquence par 2, on divise la puissance reue par 4 (toutes choses

gales par ailleurs) Frquences en de de 800 MHz utilises par les services professionnels (pompiers,

police,), la radio, la tlvision Bandes affectes en France pour les rseaux radiomobiles

790-862 MHz 790-820 MHz et 832-862 (2*30 MHz) 880-915 MHz 925-960 MHz (2*35 MHz) 1710-1785 MHz et 1805-1880 MHz (2*85 MHz) 1900-1905 MHz et 1910-1920 MHz (15 MHz) 1920-1980 MHz et 2110 2170 MHz (2* 60 MHz) 2500-2570 MHz et 2620-2690 MHz (2*70 MHz)

Voir http://www.arcep.fr/fileadmin/reprise/dossiers/mobile/attributions-frequences-operateurs-metropole-260410.pdf

10


4. Le rseau tlphonique et ses volutions (S2) 4.1. Prsentation de la signalisation smaphore n7

Les rseaux tlphoniques classiques sont constitus - de commutateurs tlphoniques - de bases de donnes

Le principe de la signalisation smaphore consiste faire transiter de faon spare - les communications - la signalisation

Le systme de signalisation utilis est appel : - SS7, signalisation smaphore n7 ou signalling sy stem number 7

Lchange de signalisation entre commutateurs, bases de donnes se fait sur une rseau commutation de messages spcialis

Il y a diffrents protocoles applicatifs - ISUP, ISDN User Part => traitement de lappel tlphonique - MAP, Mobile Application Part => protocole spcifique GSM pour la gestion de la

mobilit


Architecture

Chaque oprateur a son rseau de signalisation interne

Les rseaux de signalisation sont connects entre eux au niveau national

Les rseaux de signalisation sont connects un rseau de signalisation international

11

Semaine 2 : Le rseau tlphonique et ses volutions


Couches protocolaires de la Signalisation smaphore n7 Une pile de protocole spcifique est utilise pour permettre lchange de message

- MTP, Message Transfer Part - MTP contient 3 couches : MTP1 (physique), MTP2 (liaison) et MTP3 (rseaux) - principe gnral de la commutation de paquet : stockage et retransmission de

message par des commutateurs de signalisation

La signalisation smaphore est utilise pour - le dialogue entre commutateurs pour ltablissement dappels tlphoniques (ISUP au

dessus de MTP) - le dialogue entre des commutateurs, des bases de donnes

Pour permettre le dialogue entre quipements de rseaux diffrents (par exemple un commutateur dun rseau A et une base de donnes dun rseau B), il faut rajouter une couche de protocole grant linterconnexion - SCCP, Signalling Connection Control Part

Pour faciliter la gestion de dialogues simultans, une couche protocolaire spcifique a t dfinie


12


Etablissement dun appel tlphonique fixe Rseau tlphonique traditionnel : rseau commutation de circuit

1 circuit = 1 voie 64 kbit/s (64 kbit/s dans chaque sens de transmission) Rseau de signalisation ddi : signalisation smaphore n7

Protocole dtablissement (et de terminaison) dun appel tlphonique ISUP = ISDN User Part (ISDN, Integrated Service Digital Network) ISUP sert rserver des circuits pour une communication (et relcher la fin dune

communication)


4.2. Architecture NGN

La voix nest plus transporte en mode circuit sur des liaisons MIC (1 octet toutes les 125 s) mais dans des paquets IP (1 paquet toutes les 20 ms) - Si absence de parole, absence de paquet transporter => meilleure efficacit - Mise en place de passerelles qui transportent les paquets IP de voix : MGW, Media

Gateway

Sparation du contrle des communications et du transport de la voix - Mise en place de MSS, MSC Server (pour GSM) - Conservation du protocole ISUP pour garantir la compatibilit

13


Avantage de larchitecture NGN

Pour une communication de 10 minutes - 106050 = 30 000 paquets de parole (hypothse dun paquet toutes les 20 ms) - 3 messages pour tablir la communication et 2 messages pour la librer

Il est possible de mettre beaucoup moins de serveurs que de passerelle


Architecture NGN pour GSM

14

Fonctions de scurit

Semaine 2

BTS MSC/VLR AuC (HLR)MS

SS7SS7BSC

Mcanismes standards

(e.g. VPN IPSec, MPLS, etc.)

3GPP

Fonctions de scurit :

Authentification du terminal par le rseau

Eviter un accs frauduleux au rseau

Chiffrement des donnes et de la signalisation

Garantir la confidentialit des donnes transmises

Allocation dynamique d'une identit temporaire transmise en mode chiffr

Garantir confidentialit de l'identit de l'utilisateur

Scurit

15

Semaine 2 : Scurit

Authentification du mobile

dfi

rponseMS

Rseau

cellulaire

Rseau

cellulaire

Dfi-Rponse

MS

Rseau

cellulaire

Rseau

cellulaire

identit IMSI

RAND

SRES

RAND=RANDom (Valeur alatoire)

SRES=Signed RESponse (Rponse sign)

AuC = Authentication Center (Centre dauthentification)


SS7SS7BSC


SS7SS7BSC

KiKi

IMSI

RAND

SRESCalculer XRES=A3(RAND, Ki)Calculer SRES=A3(RAND, Ki)

SRES = XRES ?

A3 algorithme sens unique (difficilement rversible)

Ki = 128 bits, RAND = 128 bits, SRES = 32 bits

Pour trouver Ki il faut plusieurs milliers de pairs RAND, SRES

Avec un couple (RAND, SRES) nimporte quel quipement du rseau

peut identifier un abonn

SIM

Tous les messages

passent en clair !

Tous les messages

passent en clair !

Secret partag !

16


SS7SS7BSC

Chiffrement des changes cl de session

SIM

Il faut chiffrer chaque trame !

Impossible dinterroger lAuC pour chaque trame (chiffrement+dchiffrement)

Le secret partag ne doit jamais quitter lAuC (et la carte SIM)

Solution gnration dune clef de session KC pour le chiffrement (64 bits)

IMSI

RAND

SRES

IMSI

RAND, XRES, KC

KC

Chiffr avec KC

(triplet de scurit)

XRES=A3(RAND, Ki)

KC=A8(RAND, Ki)

SRES=A3(RAND, Ki)

KC=A8(RAND, Ki)

Chiffrement des changes principe

Donnes en clair transmettre

MS BTS

Trame N+1Trame N+1 Trame NTrame N

Squence de cl

Cl NCl N Cl N+1Cl N+1

= OU exclusif

Longueur L Trame NTrame N

Donnes

chiffres

Longueur L

A B

B A

0 1

0 0 1

1 1 0

Secret partag

17


MS BTS

= OU exclusif

Cl NCl N

Squence de cl

Trame NTrame N

Donnes reues

en clair

Longueur L

Trame NTrame N

Donnes

chiffres

Longueur L

A B

B A

0 1

0 1 0

1 0 1

Secret partag

Cl NCl N Cl N+1Cl N+1


A5

Squence de cl

KC Compteur =Numro de la trame

18

Donnes A5(KC, FN)

Donnes A5(KC, 7)

Donnes A5(KC, 6)

Donnes A5(KC, 5)

Chiffrement des changes algorithme

KCKC

4,615 ms

Cl KC identique pendant toute la communication

Cl renouvele chaque nouvelle communication

Squence de chiffrement varie chaque trame TDMA

Compteur FN (Frame Number) : 0 2 715 647

Incrment chaque nouvelle trame

Priode : 2 715 647 * 4,1615 ms soit 3h 30 mn

Authentification + change de cls

Algorithme A5 dans le terminal et

dans la BTS

Mme famille dalgorithmes dans

tous les terminaux et les rseaux

Algorithme A5/1 : traditionnel

Algorithme A5/2 : moins protg

Algorithme A5/3 : plus rsistant


SS7SS7BSC

Identit temporaire - TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)

Sur 4 octets (contre 8 pour lIMSI)

Porte locale (VLR)

Prserve la confidentialit de

labonn

Utilis dans les messages de

paging

Pour les demandes

dauthentification la place de

lIMSI

19

Scurit 3G/LTE

Fonctions de scurit ajouts pour la 3G/LTE

Authentification du rseau par le terminal

Vrification dintgrit

GSM UMTS LTE

Authentification du terminal

Authentification du rseau

Chiffrement de la signalisation, des donnes

Vrification dintgrit des messages de signalisation

Confidentialit de lidentit * * *

* sauf cas particulier

20


5. Gestion de la mobilit (S3)

5.1. Prsentation gnrale On considre un terminal qui est allum mais qui nest jamais utilis pour un service :

tat de veille

Procdures de gestion de la mobilit = Mobility Management (MM) Mise jour de localisation = Location updating procedure

Mise jour de localisation la premire mise sous tension du terminal La mise jour de localisation se fait lorsque le mobile change de zone de localisation Possibilit de mise jour priodique Possibilit de dtachement au rseau lors de la mise hors tension

Mise jour du HLR : VLR o se trouve labonn Mise jour du VLR : profil de labonn et zone de localisation


5.2. Premire mise sous tension Le mobile doit se signaler au rseau pour tre pris en compte

Procdure appele : IMSI attach ou attachement au rseau

Le mobile ne dispose pas de TMSI, il utilise lIMSI

21

Semaine 3 : Gestion de la mobilit et des appels


Le rseau doit authentifier le mobile : le VLR demande des triplets de scurit au HLR

La mise jour de localisation consiste faire deux oprations imbriques : - informer le HLR que le mobile se trouve dans un VLR donn - transfrer le profil de labonn du HLR vers le VLR

Allocation dun TMSI en fin de procdure


22



5.3. Dplacement du mobile dans un rseau

Changement de zone de localisation sans changer le VLR Le mobile se trouvait dans une cellule dpendant dune ancienne zone de localisation et

passe dans une cellule faisant partie dune nouvelle zone

23


pour ne pas dvoiler son identit complte, le mobile fait une mise jour de localisation en envoyant le TMSI

Allocation possible dun TMSI en fin de procdure


Changement de VLR (1/3) Le mobile se trouvait dans une cellule dpendant du VLR1 et passe dans une cellule

dpendant dun nouveau VLR (VLR2).

24


Le TMSI tait allou par lancien VLR. Seul le VLR1 peut identifier le mobile (i.e. retrouver lIMSI)

Pour que le nouveau VLR connaisse lancien VLR, le mobile indique lancienne zone de localisation o il se trouvait (LAI1 pour Location Area Identity)

Lidentit de la zone de localisation est unique au monde (elle contient le code pays, le code oprateur)

LAI+TMSI constitue une identit unique au monde dun terminal mais elle est anonymise

Principe rutilis en GSM, UMTS, LTE (avec quelques diffrences ) En LTE, on parle de GUTI, Globally Unique Temporary Identity


Changement de VLR (2/3), rcupration de lidentit Au niveau de chaque VLR, est stocke une table de correspondance

- zone de localisation identit du VLR

Le nouveau VLR demande lancien VLR lidentit IMSI du terminal

Le profil de labonn est systmatiquement transfr depuis le HLR (pour viter la propagation derreurs dans le profil)

Pour une bonne gestion de la mmoire des VLR, il faut effacer le profil dans lancien VLR.

Allocation quasi systmatique dun TMSI en fin de procdure

25



26


5.4. Changement de rseau (quasiment) tous les MSC/VLR et HLR sont interconnects au niveau internationale

(rseau SS7 international en GSM classique ou rseau IP) Le mobile va dans un pays tranger

Rseau visit : VPLMN pour Visited PLMN Rseau nominal : HPLMN pour Home PLMN

Le mobile fait une mise jour de localisation de faon habituelle


En gnral, - le rseau ne peut pas dterminer lancien VLR partir de lidentit de lancienne zone

de localisation - le mobile indique explicitement son IMSI

Aucune diffrence fondamentale entre mobilit au sein dun rseau et changement de rseau

27


5.5. Dtachement du rseau Procdure de dtachement avant la vraie mise hors tension

Connaissance par HLR de ltat du mobile Connexion bote vocale en cas dappel du terminal

Mise jour de localisation systmatique en cas de remise sous tension du terminal (avec TMSI)


Bilan sur la gestion de la mobilit le HLR contient lidentit dun abonn, son profil et sa localisation grossire

quel que soit ses dplacements, le HLR dun abonn ne change pas

le terminal effectue une mise jour de localisation chaque changement de zone de localisation (groupe de cellules)

la mise jour de localisation provoque lactualisation des bases de donnes VLR et, si ncessaire, HLR

lutilisation quasi-systmatique du TMSI oblige former une identit unique compos partir de la localisation de labonn.

28


6. Etablissement dappels (S3) 6.1. Droulement dun appel fixe


6.2. Appel Sortant

29


6.3. Appel entrant (fixe vers mobile)

MS BSS MSC/VLR

HLR

GMSC CAA

2

1

34

7MSISDN

IMSI

MSR

N

MSISDN

MSRN

5

6MSRNTMSI

Principe simplifi de l'appel arriv (ou entrant) Pour tablir un appel tlphonique (protocole ISUP), il faut un numro de tlphone dont

les premiers chiffres donnent la localisation du demand

A chaque MSC/VLR est affect une plage de numros de roaming ou MSRN, Mobile Station Roaming Number, utilis pendant les quelques secondes de lappel vers un mobile


30



Fin de communication

BSS MSC/VLR PHONEMS

REL (CIC)

DISCONNECT

RELEASE

RLC (CIC)

RELEASE COMPLETE

CAA ou MSC

Raccroch par l'abonn mobile

31


BSS MSC/VLR PHONEMS

REL (Release)

DISCONNECT

RELEASE

RLC (Release comp)RELEASE COMPLETE

CAA ou MSC

Raccroch par le poste fixe

32


7. Intgration des rseaux orients paquets (S3, facultatif)

7.1. Service fourni par GPRS GPRS = General Packet Radio Service

Accs un rseau de donnes commutation par paquet - Nom gnrique = PDN, Packet Data Network - Dans la pratique = Rseau IP (IPv4, IPv6)

Dploiement dun rseau cur de type IP qui permet de transporter des paquets de nimporte quel format - Nom gnrique = PDP, Packet Data Protocol - Dans la pratique = Paquet IPv4, Paquet IPv6 (trame PPP)

Accs radio en mode paquet

Dbit possible : - 40 kbit/s typiquement en GPRS pur - 100 kbit/s typiquement avec GPRS+EDGE (Enhanced Data Rate for the Global

Evolution)


7.2. Architecture physique de rfrence Rutilisation des stations de bases BTS et des BSC

- minimisation des cots dinfrastructure

Dploiement dun rseau cur spcifique

SGSN : Serving GPRS Support Node, Routeur IP grant les terminaux pour une zone Equivalent du MSC dans larchitecture circuit

GGSN : Gateway GPRS Support Node, Routeur IP s'interfaant avec les autres rseaux Equivalent du GMSC dans larchitecture circuit (mais on passe toujours par la

passerelle)

33

Semaine 3 : Intgration des rseaux orients paquets (optionnel)



7.3. Attachement au rseau

Etats d'un mobile

Mobile non attach au rseau GPRS Mobile teint

Mobile attach au rseau GPRS Mobile localis par le rseau la prcision d'une zone de routage d'une cellule,

Mobile attach avec contexte activ Mobile existant au niveau du rseau PDP

34


Attachement au rseau


Attachement au rseau (suite)

35


7.4. Dtachement GPRS Procdure effectue lors de la mise hors tension


7.5. Activation dun contexte PDP Activation dun contexte = connexion rseau (mais pas forcment utilisation) Pour lutilisateur, le contexte est prcis grce lAPN, Access Point Name (exemple

operateur.fr, accespro.operateur.fr) Lactivation dun contexte conduit au choix dun GGSN (fonction de lAPN) Rponse du rseau = adresse PDP (dans la pratique adresse IP)

36



37


7.6. Transmission de donnes dans le rseau GPRS A lissue de lactivation de contexte PDP

- Le SGSN connat le rseau PDP utilis, l'adresse PDP du mobile, - Le GGSN connat l'adresse du SGSN o le mobile se trouve

Les donnes venant des rseaux fixes sont encapsules par le GGSN pour les envoyer vers le SGSN.


38



7.7. Architecture en couches

Architecture en couches dans le plan usager (User Plane)

39


Architecture en couches dans le plan de commande (Control Plane)


8. Synthse et conclusion sur rseau daccs et rseaux cur lensemble des stations de base constitue le rseau daccs

le rseau cur est diffrent suivant les gnrations - GSM (2G) lorigine : rseau tlphonique commutation de circuit rutilisation des protocoles spcifiques au rseau tlphonique

- GSM (2G) en 2013 : conservation des protocoles spcifiques au rseau tlphonique mais transport de la voix sur un rseau IP

- GPRS (2G) : rseau cur bas sur IP utilis pour rseau tlphonique commutation de circuit

rutilisation des protocoles spcifiques au rseau tlphonique

- Conservation de 2 rseaux curs pour la 3G

- 4G : Utilisation dun seul rseau cur entirement bas sur IP et les protocoles associs pour tous les services (http, FTP, SIP, RTP,)

Explication des concepts gnraux en prenant lexemple de GSM (2G), rseau cur circuit.

40

Semaine 1 : Architecture, service et rgulationSemaine 2 : Le rseau tlphonique et ses volutionsSemaine 2 : ScuritSemaine 3 : Gestion de la mobilit et des appelsSemaine 3 : Intgration des rseaux orients paquets (optionnel)

Documents

Support-Mooc-Semaine1A3__1_