réseaux mobiles support mooc complet
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Mooc
Introduction aux rseaux mobiles
Mooc
Supports de cours
Anne 2014
Xavier Lagrange, Alexander Pelov, Gwendal Simon
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Table des matires
Semaine 1 : Architecture, service et rgulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Semaine 2 : Le rseau tlphonique et ses volutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Semaine 2 : Scurit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Semaine 3 : Gestion de la mobilit et des appels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Semaine 3b : Intgration des rseaux orients paquets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Semaines 4 et 5 : le concept cellulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Semaine 6 : Interface radio, multiplexage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Semaine 7 : Transmission sur l'Interface radio et canaux logiques . . . . . . . . . . . . . 87
Semaine 8 : Interface radio, mcanismes d'accs et handover . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Glossaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
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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 !
2 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
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Semaine 1 : Architecture, service et rgulation
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3 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
4 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
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5 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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)
6 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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7 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
8 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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)
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9 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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)
10 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
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11 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
12 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
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13 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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.
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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
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15 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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-
16 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
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18 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
19 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
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Semaine 2 : Le rseau tlphonique et ses volutions
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20 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
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22 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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)
23 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
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24 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
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Architecture NGN pour GSM
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26 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
4.3. Architecture en couches pour laccs GSM Architecture de protocoles pour laccs dun tlphone numrique
Pile de protocoles dfinie pour laccs dun tlphone numrique au rseau tlphonique
Volont de rutilisation pour minimiser les cots de dveloppement MAIS le terminal GSM est radio, mobile ; la liaison terminal-rseau peut facilement
tre coute => des procdures spcifiques doivent tre ajoutes
27 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
Architecture de protocoles dans le rseau daccs GSM
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28 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
Fonctions des diffrentes couches Connection Management (CM) : tablissement, maintenance et raccroch des
communications (CC, Call Control), services supplmentaires, Mobility Management (MM) : procdure de mise jour de localisation,
authentification, etc.
Radio Resource management (RR) : allocation de la ressource radio, gestion du handover
Liaison de donnes entre terminal et BTS : spcifique GSM
Couche physique entre terminal et BTS : spcifique GSM
Par rapport au modle OSI, les couches CM, MM et RR ne rajoute pas den-tte (MM transporte les messages CM de faon transparente)
Choix dutiliser la signalisation smaphore sur linterface entre le BSC et le MSC MTP, Message Transfer Part SCCP, Signalling Connection Control Part (en mode connect)
BSSAP : Base Station Subsystem Application Part : protocole permettant un MSC denvoyer des commandes au BSC et facilitant la retransmission automatique des messages par le BSC vers le terminal (via la BTS)
29 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
La BTS agit en tant que relais pour tous les messages RR, MM, CM (pas dinterprtation des messages)
Le BSC cre et interprte les messages RR Le protocole RR est troitement li la technologie radio (messages diffrents si
2G ou 3G) On parle dAS, Access Stratum (ensemble des protocoles lis lorganisation du
rseau daccs (BTS, BSC) et la technologie radio)
Le BSC agit en tant que relais pour tous les messages MM, CM (pas dinterprtation des messages) Les protocoles CM et MM ne sont pas lis la technologie radio Ce sont les mmes en 2G et 3G (en 4G, diffrences dues au passage au tout IP) On parle de NAS, Access Stratum (ensemble des protocoles lis lorganisation
du rseau daccs (BTS, BSC) et la technologie radio)
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30 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
Porte du cours et dmarche pdagogique
Le dtail des interfaces entre BTS, BSC et MSC nest pas trait
Premire partie du cours : tude de CM, MM en admettant que BTS et BSC relaye
Troisime partie du cours : tude de la couche physique, liaison de donnes et certains aspects de RR
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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
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Semaine 2 : Scurit
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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)
BTS MSC/VLR AuC (HLR)MS
SS7SS7BSC
BTS MSC/VLR AuC (HLR)MS
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 !
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BTS MSC/VLR AuC (HLR)MS
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
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-
Chiffrement des changes principe
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 0 1
1 1 0
Secret partag
Cl NCl N Cl N+1Cl N+1
Chiffrement des changes principe
A5
Squence de cl
KC Compteur =Numro de la trame
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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
BTS MSC/VLR AuC (HLR)MS
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
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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
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26 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
27 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
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Semaine 3 : Gestion de la mobilit et des appels
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28 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
29 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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30 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
31 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
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32 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
33 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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).
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34 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
35 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
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36 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
37 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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38 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
39 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
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40 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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)
41 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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.
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42 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
6. Etablissement dappels (S3) 6.1. Droulement dun appel fixe
43 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
6.2. Appel Sortant
33
-
44 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
45 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
34
-
46 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
47 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
Fin de communication
BSS MSC/VLR PHONEMS
REL (CIC)
DISCONNECT
RELEASE
RLC (CIC)
RELEASE COMPLETE
CAA ou MSC
Raccroch par l'abonn mobile
35
-
48 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
BSS MSC/VLR PHONEMS
REL (Release)
DISCONNECT
RELEASE
RLC (Release comp)RELEASE COMPLETE
CAA ou MSC
Raccroch par le poste fixe
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-
49 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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)
50 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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)
37
Semaine 3b : Intgration des rseaux orients paquets
-
51 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
52 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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
38
-
53 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
Attachement au rseau
54 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
Attachement au rseau (suite)
39
-
55 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
7.4. Dtachement GPRS Procdure effectue lors de la mise hors tension
56 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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)
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-
57 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
58 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
41
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59 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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.
60 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
42
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61 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
62 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
7.7. Architecture en couches
Architecture en couches dans le plan usager (User Plane)
43
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63 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
Architecture en couches dans le plan de commande (Control Plane)
64 X. Lagrange, A. Pelov, G. Simon, TELECOM Bretagne, Mooc Introduction aux rseaux mobiles 2014
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.
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-
Le concept cellulaire
X. Lagrange
Telecom Bretagne
21 Mars 2014
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 1 / 57
Introduction : Objectif du cours
Soit un operateur qui dispose dune bande de frequences W
Ou` mettre les stations de base ?
Quelle technologie choisir ?
Comment organiser la bande de frequences ?
Comment affecter la ou les frequences a` chaque station de base ?
Lorganisation des ressources est-elle specifique a` un service ?
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 2 / 57
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Semaines 4 et 5 : le concept cellulaire
-
Introduction : Connaissances utilisees
Approche analytique pour comprendre les principaux phenome`nes, lescompromis
Mathematiques
TrigonometrieAnalyseSoupcon dArithmetiqueProbabilite
Propagation
Bases de Theorie de linformation
de la logique !
De la patience !
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 3 / 57
Presentation du mode`le : services consideres
Services non elastiques ( inelastic)
Requiert un debit minimal (ou fixe) et un faible retard (faible latence)Exemple : la telephonie, la video-conferenceCas du cours : Rtarget fixe
Services elastiques
Tend a` utiliser le debit maximal disponibleExemple : transfert de fichiers, navigation webCours : calcul du debit maximal theorique quon peut avoir
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 4 / 57
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-
Presentation du mode`le : reseaux cellulaires
Le territoire est divise en cellules, desservies chacune par une (ouplusieurs) stations de base, lensemble de ces cellules formant un seulreseau (sans que cette division soit pas perceptible)
Les memes canaux de frequence sont reutilises dans plusieurs cellulesselon la capacite du syste`me a` resister aux interferences.
Syste`mes sans fils
couverture par lots (meme si on arrive a` des archipels !)WiFi
Syste`mes cellulaires
objectif de couverture continue dun tre`s large territoireGSM/GPRS (2G), UMTS (3G), LTE (4G)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 5 / 57
Presentation du mode`le : homogeneite partout !
Surface a` couvrir totalement uniforme
Meme densite de population sur tout le territoireMemes type de territoire (urbain, rural)Homogenete des utilisateurs
Etude dans un premier temps de la liaison descendante ou downlink
Transmission du reseau vers le terminal
Mode`le theorique un peu loin de la realite mais qui permet decomprendre les principaux phenome`nes, les principaux compromis
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 6 / 57
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-
Propagation : Propagation dans le vide
Hypothe`se dune antenne omnidirectionnelle
Rayonnement uniforme dans tout langle solide 4pi
Antenne de reference
Impossible a` fabriquerSimple a` manipuler sur un plan theorique
Propagation dans le vide : aucun obstacle
Emetteur avec puissance PE a` lentree de lantenne
Puissance PR recue par le recepteur
PR = PE2
(4pir)2= PE
2/(4pi)2
r2
avec la longueur donde du signal emis et r la distance entrelemetteur et le recepteur.Formule propagation en espace libre, appelee aussi formule de Friis
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 7 / 57
Propagation : Propagation dans le vide
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 8 / 57
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-
Propagation : Propagation dans un milieu avec obstacles
Il y a rarement visibilite directe entre lemetteur et le recepteur
Diffraction sur les anglesReflexion sur les surfaces planesDiffusion sur les surfaces non planesCe qui importe, cest la taille des irregularites vis a` vis de la longueurdonde de londe electromagnetique consideree
un terminal recoit en general plusieurs echos du meme signal transmis Propagation multi-trajets
Forte variation locale du signal (sur distance /2)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 9 / 57
Propagation : Mode`le dOkumura
Phenome`nes (diffraction, reflexion, diffusion) difficiles a` predire :
approche empiriqueserie de mesures faite par Y. Okumura a` Tokyo en 1968mode`le sans cesse raffine depuis (M. Hata, actions europeennes COST)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 10 / 57
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-
Propagation : Mode`le dOkumura
Puissance mediane PR recue par le recepteur, PR = PEk2
r
avec la longueur donde du signal emis et r la distance entrelemetteur et le recepteur.avec k et deux parame`tres dependant de lenvironnement ( [2, 4]typiqu. 3.5)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 11 / 57
Propagation : Effet de masque
Valeur mediane donnee par Okumura-Hata-Cost231
Effet de masque : prise en compte de lincertitude par variable aleatoirenormale centree (gaussienne)
PR = PEk2
r 10/10
= variable aleatoire normale centree et normalisee = ecart-type de leffet de masque en dB, [5, 10] typiquement
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 12 / 57
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-
Communications numeriques : Rapport signal sur bruit
Rapport S/N entre la puissance S du signal recu et la puissance N du bruitde fond
Rapport souvent exprime en dB (on affiche 10 log10(S/N))SNR, Signal to Noise Ratio
Le bruit de fond est du a` lagitation thermique des electrons et auximperfections des amplificateurs (notion de facteur de bruit)
Bruit thermique pur : N = WkT avec k = 1.38 1023 (constante deBoltzmann), T la temperature en Kelvin, W la largeur de bande dusignalAvec GSM, W = 270 kHz, T = 293 K dou` N = 1.1 1015 soit119 dBm 1Amplificateur GSM augmente le bruit de typiquement 5 dBLe niveau de bruit est dun recepteur de terminal GSM est119dBm + 5dB = 114dBm
Si un terminal recoit un signal de puissance 100 dBm, le rapport signal surbruit est de 14 dB
1. erreur de calcul dans la video : le resultat plus precis est 1.091015 et non 1.161015. Cela ne changerien a` la valeur en dBm
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 13 / 57
Communications numeriques : Debit et rapport signal surbruit (1/2)
Capacite du canal : limite superieure de la quantite dinformation quon peuttransmettre de facon fiable sur un canal de transmission perturbe
Concept issu de la theorie de linformation developpe par Claude Shannon
Sur un canal de transmission AWGN (Additive White Gaussian Noise),theore`me de Shannon-Hartley
Le debit maximal R (en bit/s) quon peut atteindre estR = Wlog2(1 + S/N)ou` W est la bande du canal en Hertz, S/N est le rapport signal surbruit (valeur lineaire)R/W est aussi appelee capacite de Shannon (en bit/s/Hz)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 14 / 57
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-
Communications numeriques : Utilisation du theore`me deShannon-Hartley
Rappel : Capacite de Shannon, R/W = log2(1 + S/N)
Dans les annees 80 (GSM), on en etait encore loinDepuis 2005-2010, on sen approche (progre`s du codage, desprotocoles de liaisons de donnees, adaptation dynamique de lamodulation et du codage)Hypothe`se du cours : on latteint !
Services non elastiques
Debit requis : Rtarget seuil minimal de S/N est appele minServices elastiques
Debit possible R = Wlog2(1 + S/N)Dans la pratique, il faut aussi un debit minimal pour un certain confortCadre du cours : seuil minimal de S/N vaut min
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 15 / 57
Sensibilite dun terminal
Rappel : Valeur minimale min de rapport signal sur bruit exige pourtous les services
Puissance de bruit minimal dun recepteur N.
Soit C le signal recu par un recepteur
Condition de bonne reception : CN > min
Soit C > Nmin ou 10 log10(C ) 10 log10(N) + 10 log10(min)La valeur minimale de C sappelle la sensibilite : Cmin = NminExemple
En GSM, pour un service de telephonie, min = 9 dBPour un terminal, le bruit de fond, N = 114 dBmOn en deduit C 105 dBm
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 16 / 57
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-
Reseau cellulaire regulier : Cellule elementaire isolee
Soit une station de base isolee avec une antenne isotrope parfaitetransmettant a` la puissance P
Propagation regulie`re : C = P k2
r
Sensibilite du terminal : Cmin
C Cmin r rmax avec rmax =(Pk2/Cmin
)1/
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 17 / 57
Reseau cellulaire regulier : Cellules hexagonales
En premie`re approximation, Cellule = disque de rayon rmax
Pour avoir une couverture sans trou, il faut un recouvrement des cellules
Maillage des stations de base selon une grille hexagonale = meilleurecompacite
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 18 / 57
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Reseau cellulaire regulier : Notion de motif
On conside`re des carreaux hexagonauxOn dispose de plus ou moins de couleursSuivant le nombre de couleurs K , quelle est la distance D entre lescentres de 2 carreaux de meme couleur ?Avec une couleur (K = 1), D = 1
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 19 / 57
Reseau cellulaire regulier : Notion de motif
Avec deux couleurs (K = 2), D = 1
Peu dinteret a` utiliser un motif de taille 2
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 20 / 57
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Reseau cellulaire regulier : Notion de motif
Avec 3 couleur (K = 3), D = ? Avec deux couleurs (K = 4), D = ?
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 21 / 57
Reseau cellulaire regulier : Notion de motif
Determination dun motif de base et replication de ce motif a` linfini
Resultats admis :
Le nombre de couleur doit verifier : K = i2 + j2 + ij avec i et j entiersDans ce cas,
D =
3Krmaxil y a 6 hexagones de meme couleur a` la distance DK = 1, 3, 4, 7, 9 . . .Le nombre de couleur doit verifier : K = i2 + j2 + ij avec i et j entiers
Remarque : on peut faire un motif de taille quelconque mais ladistance D est la meme que pour la valeur de K immediatementinferieure qui verifie la formule
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 22 / 57
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Reseau cellulaire regulier : Retour a` la planification
Analogie :
couleur groupe de frequences2 couleurs differentes toutes les frequences sont differentes
Motif de reutilisation cellulaire : ensemble de cellules ou` toutes lesfrequences sont differentes
Si un operateur dispose de N frequences au total, avec un motif detaille K , il pourra mettre N/K frequences dans chaque cellule
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 23 / 57
Reseau cellulaire regulier : exemple du motif a` 7
Operateur avec 14 frequences
Planification avec un motif de taille 7
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 24 / 57
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Reseau cellulaire regulier : Exercice 1 sur un motif cellulaire
Un operateur a 12 frequences numerotees de 1 a` 12, affecter a` chaquecellule une ou plusieurs frequences avec un motif a` 3, puis avec unmotif a` 4
Motif a` 3 (K = 3) Motif a` 4 (K = 4)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 25 / 57
Analyse dun reseau cellulaire : Pire cas et cas median
Reseau hexagonal regulier
Analyse du debiten bordure de cellule
Debit minimal
a` une distance mediane (partage la cellule hexagonale en deuxparties de meme surface)
Debit median (notion specifique a` ce cours)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 26 / 57
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-
Analyse dun reseau cellulaire : Surface dun hexagone
Soit un hexagone de rayon rmax
SH = 6
32 rmax 12 rmax
SH =3
32 r
2max
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 27 / 57
Analyse dun reseau cellulaire : Calcul du rayon median
SH =3
32 r
2max
SC = pir2median
Donc
rmedian = rmax
3
3
4pi
rmedian = 0.64rmax
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 28 / 57
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Analyse dun reseau cellulaire : Bruit et Interferences
Reseaux cellulaire :
Bruit de fond (bruit additif gaussien)Interference co-canal assimile a` du bruit additif gaussienInterference canal adjacent souvent negligeeAutres sources dinterferences negligees
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 29 / 57
Analyse dun reseau cellulaire : Rapport signal surinterference
Reseaux cellulaire :
Bruit de fond (bruit additif gaussien) NTotal des interferences co-canal I assimile a` du bruit additif gaussien
Rapport Signal sur Bruit vaut CI+NDans un syste`me cellulaire,
rapport Signal sur Interference et BruitSINR, Signal to Interference and Noise Ratio
Les interferences sont souvent bien superieures au bruit, on parle de
rapport Signal sur InterferenceSIR, Signal to Interference RatioC/I avec C puissance du signal utile et I puissance des interferences,Notation du cours
Capacite de Shannon, R/W = log2(1 + C/I )
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 30 / 57
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Analyse dun reseau cellulaire : Cellules co-canal
6 cellules co-canal a` la distance de reutilisation D =
3K rmax (siK = 1, 6 cellules voisines)
Encore 6 cellules co-canal a` D =
3D = 3
K rmaxMeta-structure hexagonale
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 31 / 57
Analyse dun reseau cellulaire : rapport signal surinterference
Signal utile C = P kr
On ne conside`re que les 3premie`res couronnes dinterferences(18 cellules co-canal)
Interferences I =18
j=1 Pkrj
On en deduit pour un mobile en unpoint donne C/I = 118
j=1 (r/rj )
Le C/I ne depend pas du facteur k ,ni des puissances demission
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 32 / 57
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-
Analyse dun reseau cellulaire : rapport signal surinterference
Quelle que soit la taille de motif, le rapport signal sur interference est dautantplus grand que le terminal est proche de la station de base
Pour une taille de motif grande, la decroissance est plus faible.
En bordure de cellule, C/I = 3dB dans ce mode`le regulier ideal (dans la pratiqueon peut rencontrer 12 dB).
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 33 / 57
Analyse dun reseau cellulaire : Decoupage en porteusesdes syste`mes 1G et 2G
Grande ou moyenne taille de motif K pour syste`mes 1G ou 2G
Operateur dispose dune bande W
Decoupage FDMA de la bande en n sous-porteuses de largeur w
On a n = W /w
Contrainte n K
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 34 / 57
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Analyse dun reseau cellulaire : Calcul simplifie de C/I pourun grand motif
Rappel C/I = 118j=1 (r/rj )
Si K est grand, rj ' D et en neconsiderant que la premie`re couronne
C/I = 16j=1 (r/D)
= 16
(Dr
)Le C/I minimal est obtenu pourr = rmax
On en deduit (C/I )min =16 (3K )
/2
Conclusions (generalisable avec deshypothe`ses moins restrictives)
Le seuil de fonctionnement dunsyste`me impose une taille de motifCest bien une caracteristiqueintrinse`que dun syste`me
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 35 / 57
Analyse dun reseau cellulaire : calcul simplifie de debitdisponible pour un grand motif
Avec le mode`le tre`s simple,
C/I = 16(Dr
)Avec un motif de taille K , la bande disponible sur chaque cellule estW /K
En utilisant le theore`me de Shannon-Hartley, on obtient
Rmin =WK log2
(1 + 16 (3K )
/2)
obtenu pour r = rmax
Si K , Rmin 'W log2
(3/2
6
)K +
W2
log2(K)K et donc Rmin 0
On montre de meme que Rmedian =WK log2
(1 + 16
(3K0.64
)/2) 0 siK Si on veut disposer de hauts-debits et simplifier la planification, mieuxvaut utiliser une petite taille de motif
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 36 / 57
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Analyse dun reseau cellulaire : Zone de fonctionnementdes syste`mes 1G et 2G
Syste`mes Analogiques (1e`re generation, annees 70-80)
Seul service = telephonieLe C/I est en relation directe avec la qualite de service percueSeuil de fonctionnement typique : 18 dBIl faut garantir de seuil important dans toute la celluleTaille de motif imposee = 21
Syste`mes Numeriques de 2e`me generation de type GSM
Service principal = telephonieUtilisation du codage correcteur derreurSeuil de fonctionnement typique : 12 dBIl faut garantir de seuil dans toute la celluleTaille de motif imposee = 12
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 37 / 57
Analyse dun reseau cellulaire : Debit minimal et debitmedian par rapport a` la taille de motif
Calcul identique au precedentmene en appliquantC/I = 118
j=1 (r/rj )
Pour un mobile a` distance r ,
R = WK log2
(1 +
(3K
g(r)
))avec g fonction croissante
Calcul pour differentes tailles demotif
Debit median maximal pourK = 1
1 34 7 9 1213 16 19 21
0.5
1
1.5
2
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 38 / 57
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Analyse dun reseau cellulaire : Zone de fonctionnementdes syste`mes 3G CDMA
Rappel : R = Wlog2(1 + C/I )
Constat : en bordure de cellule C/I < 0 dB
Utilisation dun W importantPossibilite davoir un debit notable meme si C/I est faible
Etalement de spectre ou spread-spectrum transmission
Consiste a` transmettre une sequence pseudo-aleatoire a` un debit plusgrand que le debit utilisateur (augmentation de W )Permet une reception alors que le signal est noye dans le bruit (oulinterference). Seuil de fonctionnement typique 12 dB
MAIS
Complexite des recepteursReseau difficile a` regler (Forte sensibilite du syste`me au controleautomatique de puissance)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 39 / 57
Analyse dun reseau cellulaire : syste`me 4G
diversite de services : donnees, telephonie, videos en streaming
Utilisation de lOFDM
Fonctionne a` bas rapport signal sur bruit mais pas tre`s bas(typiquement 5,3 dB)Utilisation du codage correcteur derreur
Volonte dutiliser un motif de taille 1
Gestion dynamique de linterference
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 40 / 57
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Analyse dun reseau cellulaire : ICIC exemple 1
Terminaux proches de la station de base
Vrai motif a` 1 : transmission simultanee par toutes les stations de base
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 41 / 57
Analyse dun reseau cellulaire : ICIC exemple 2
Terminaux en peripherie de certaines cellules
Coordination entre cellules voisines : pas de transmission de certainesstations de base (pendant un intervalle de temps, typiquement 1 ms) pourreduire les interferences
Utilise dans le syste`me LTE
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 42 / 57
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Etude dun mode`le plus fin : Prise en compte de leffet demasque
PR = PEk2
r 10/10
= variable aleatoire normale centree et normalisee = ecart-type de leffet de masque en dB, [5, 10]
Un mobile i peut recevoir plusieurs stations de base (BSj , BSl)
Les deux variables i,j et i,k sont supposees independantes si j 6= kEn toute rigueur, hypothe`se non verifiee (interieur des batiments)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 43 / 57
Cellule dans un mode`le hexagonal sans masque
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 44 / 57
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Cellule dans un mode`le hexagonal avec un masque de 3 dB
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 45 / 57
Cellule dans un mode`le hexagonal avec un masque de 5 dB
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 46 / 57
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Cellule dans un mode`le hexagonal avec un masque de 8 dB
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 47 / 57
Etude dun mode`le plus fin : Distribution du C/I avec uneffet de masque de 5 dB
Le masque est une variable aleatoire non bornee
Il ny a plus de minimum absolu mais un repartition du C/I
Les zones a` fort C/I restent celles proches de la station de base
Figure: Distribution du C/I dans un reseau omnidirectionnel regulier (voiedescendante, = 3.5, = 5 dB)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 48 / 57
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Etude dun mode`le plus fin : Determination dune taille demotif avec effet de masque
Seuil C/I fixe. Par exemple 10 dB.
Seuil de tolerance fixe. On accepte que 10% des utilisateurs aient un C/Iinferieur au seuil
Determination de la plus petite taille de motif qui convient K = 7
Figure: Distribution du C/I dans un reseau omnidirectionnel regulier (voiedescendante, = 3.5, = 5 dB)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 49 / 57
Etude dun mode`le plus fin : Cout dun reseau
Le cout dun reseau est proportionnel au nombre de sites occupees
Location du toit ou de lemplacement pour mettre le pylone
Liaison filaire ou par faisceau herzien entre la station de base et le reseau
Nombre de lieux ou` intervenir pour la maintenance
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 50 / 57
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Etude dun mode`le plus fin : antennes directionnelles
Utilisation dantenne directive
Permet de mieux concentrer lenergie dans unedirection
Exemple : Amplitude du champ a` +30 parrapport a` la direction de plus fort rayonnement= 0.7 Champ max (moitie de la puissance)Une telle antenne couvre bien lhexagone enmettant la station de base sur un coin
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 51 / 57
Etude dun mode`le plus fin : Interet de la tri-sectorisation
Division par 3 du nombre de sites
Conservation du nombre de cellules
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 52 / 57
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Etude dun mode`le plus fin : Interet de la tri-sectorisation
Degradation du C/I pour une meme taille de motif
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 53 / 57
Etude dun mode`le plus fin : Tri-sectorisation dans GSM
Utilisation quasi-systematique de latri-sectorisation en GSM(UMTS,. . . )
En zone rurale, urbaine,. . .
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 54 / 57
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Etude dun mode`le plus fin : considerations sur la voiemontante en 2G
Meme proble`me dinterference et de C/I minimal a` assurer
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 55 / 57
Etude dun mode`le plus fin : considerations sur la voiemontante en 3G (reseaux CDMA)
Plusieurs terminaux au sein de la meme cellule transmettent en meme tempssur la meme frequence
Presence dune interference externe et dune interference interne
Necessite davoir un syste`me a` tre`s bas C/I de fonctionnement
Controle de puissance indispensable
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 56 / 57
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Etude dun mode`le plus fin : considerations sur la voiemontante en 4G
Utilisation dun motif a` un mais un seul terminal dans une cellule transmet a`un instant donne (hors cas particulier du MIMO)
Pas dinterference interne
Necessite de coordination des allocations entre cellules
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Le concept cellulaire 21/03/14 57 / 57
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Interfaces radios des reseaux cellulaires
X. Lagrange
Telecom Bretagne
16 Avril 2014
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 1 / 82
Decoupage frequentiel dans GSM
Multiplicite des bandes de frequences utilisables dans GSM
bande a` 900 MHz, a` 1800 MHzbande a` 850 MHz (chemins de fer)utilisation du 1900 MHz aux U.S.
Decoupage du spectre en porteuses espacees de 200 kHzX. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 2 / 82
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Semaine 6 : Interface radio, multiplexage
-
Re`gle de numerotation des porteuses et duplexage dansGSM
Porteuses identifiees par ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number)
0 ou 1 ARFCN 124 fd = 935 + 0.2 ARFCN GSM 900128 ARFCN 251 fd = 869.2 + 0.2 (ARFCN 128) GSM 850259 ARFCN 293 fd = 460.6 + 0.2 (ARFCN 259) GSM 450306 ARFCN 340 fd = 489 + 0.2 (ARFCN 306) GSM 480512 ARFCN 885 fd = 1805.2 + 0.2 (ARFCN 512) GSM 1800975 ARFCN 1024 fd = 935 + 0.2 (ARFCN 1024) GSM 900E
Ne pas soccuper des formules mais seulement du fait qua` partir dun ARFCN, onpeut identifier une frequence
A chaque frequence sur la voie descendante correspond une frequence sur la voiemontante deduite par une soustraction dune valeur constante (FDD, FrequencyDivision Duplex)
fu = fd 45 MHz en 900 et 850 MHzfu = fd 95 MHz en 1800 MHzfu = fd 10 MHz en 450 et 480 MHz
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 3 / 82
Decoupage frequentiel dans dautres syste`mes
Decoupage en porteuses/frequences dans tous les syste`mes (UMTS,LTE)Le pas du decoupage de frequences est plus gros (5 MHz en UMTS,1.4 a` 20 MHz en LTE)Duplexage en frequence ou en temps
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 4 / 82
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Duplexage frequentiel dans dautres syste`mes
TDD = Time Division Duplex
Avantage = repartition entre la voie montante et la voie descendantepeut ne pas etre la meme
Il existe un mode TDD dans certains syste`me (UMTS, LTE)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 5 / 82
Allocation des bandes aux differents syste`mes
Bandes appariees pour le FDD
Les blocs restants (non apparies) sontutilises pour le TDD
TDD surtout utilise dans les pays asiatiques(Chine) et peu en Europe
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 6 / 82
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Multiplexage temporel dans GSM
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 7 / 82
Multiplexage temporel dans GSM
Multiplexage temporel ou TDMA (Time Division Multiple Access)
Trame TDMA (ou TDMA frame) = structure qui se repe`te regulie`rement (duree4.615 ms)
Une trame TDMA contient 8 slots (ou intervalle de temps)
Chaque trame est numerotee par un compteur FN, Frame Number (de 0 a` 2 715647)
La trame sur la voie montante est decalee de 3 slots par rapport a` la voiedescendante
Le decalage permet a` un terminal de ne pas recevoir et transmettre en meme temps
Canal physique duplex = 1 intervalle de temps donne dans chaque trame TDMAsur la voie descendante et sur la voie montante (meme numero que sur voiedescendante)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 8 / 82
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Trame temporelle dans les autres syste`mes
La notion de slot se retrouve en UMTS et en LTE
La notion de trame egalement
Chaque trame est egalement numerotee
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 9 / 82
Multiplexage temporel et delai de propagation (1/2)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 10 / 82
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Multiplexage temporel et delai de propagation (2/2)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 11 / 82
Utilisation dun burst court et mesure du delai depropagation
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 12 / 82
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Gestion de lavance en temps ou Timing Advance
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 13 / 82
Activite dun mobile en GSM (1/2)
Terminal GSM en communication
Reception par le terminal pendant un slot sur f1d
Transmission par le terminal pendant le slot de meme numero sur f1u
Autre station de base transmet la voie balise sur f2d
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 14 / 82
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Activite dun mobile en GSM (2/2)
Trois phases principales pour un terminal en communication
Reception, Reception par le terminal pendant un slot sur f1dTransmission, Transmission par le terminal pendant le slot de memenumero sur f1u qui se trouve 3 slots plus tardMonitor, Ecoute de la voie balise dune station de base voisine (danslexemple sur f2d mais cela peut changer a` chaque nouvelle trame)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 15 / 82
Unite elementaire de transmission en GSM (1/8)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 16 / 82
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Unite elementaire de transmission en GSM (2/8)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 17 / 82
Unite elementaire de transmission en GSM (3/8)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 18 / 82
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Unite elementaire de transmission en GSM (4/8)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 19 / 82
Unite elementaire de transmission en GSM (5/8)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 20 / 82
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Unite elementaire de transmission en GSM (6/8)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 21 / 82
Unite elementaire de transmission en GSM (7/8)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 22 / 82
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Unite elementaire de transmission en GSM (8/8)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 23 / 82
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Chane de transmission : code detecteur derreur
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 24 / 82
Chane de transmission : code correcteur derreur
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 25 / 82
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Semaine 7 : Transmission sur l'Interface radio et canaux logiques
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Chane de transmission : entrelacement (1/2)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 26 / 82
Chane de transmission : entrelacement (2/2)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 27 / 82
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Chane de transmission : modulation numerique
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 28 / 82
Chane de transmission comple`te
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 29 / 82
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Chane de transmission pour la parole
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 30 / 82
Chane de transmission pour la signalisation
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 31 / 82
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Canal de trafic et canal lent associe (1)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 32 / 82
Canal de trafic et canal lent associe (2)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 33 / 82
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Canal de trafic et canal lent associe (3)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 34 / 82
Canal de signalisation et canal lent associe (1/4)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 35 / 82
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Canal de signalisation et canal lent associe (2/4)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 36 / 82
Canal de signalisation et canal lent associe (3/4)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 37 / 82
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Canal de signalisation et canal lent associe (4/4)
Un canal physique supporte en paralle`le
8 canaux logiques SDCCH a` 0,8 kbit/s pour la signalisationchaque SDCCH ayant son canal logique SACCH a` 0,4 kbit/spermettant la supervision de la liaison
Notion de canal dedie : une slot regulie`rement alloue a` un terminalparticulier
soit un TCH et le SACCH correspondantsoit un SDCCH et le SACCH correspondant
Un terminal qui dispose dun canal dedie est en mode dedie
necessite de superviser la liaison (utilite du SACCH)possibilite de handover
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 38 / 82
Voie balise dans GSM (1)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 39 / 82
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Voie balise dans GSM (2)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 40 / 82
Voie balise dans GSM (3)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 41 / 82
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Voie Balise dans GSM et veille dun terminal
Voie Balise dans GSM et veille dun terminal
Un terminal allume mais non utilise est en veille
Il effectue les operations suivantes
ecoute regulie`re de la voie balisemesure de puissance recue sur
la voie balise couranteles voies balises des cellules voisines
identification de la voie balise la mieux recuepositionnement en reception sur cette voie balise
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 42 / 82
Voie Balise dans les autres syste`mes
Tous les syste`mes mobiles ont une voie balise (UMTS, LTE,... )
Limplementation de cette voie balise change mais on a toujours
lemission periodique dun mot de synchronisation commun a` toutes lesstations de base dune technologie donnee (Synchronisation Channel)la diffusion des informations syste`mes (Broadcast Channel)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 43 / 82
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Voie Balise dans GSM et veille dun terminal
Terminal en veille : ecoute de la voie balise
Terminal en cours de service : canal dedie alloue
Comment permettre
au terminal dacceder a` un serviceau reseau de joindre un terminal
Canaux communs et mecanismes dacce`s
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 44 / 82
Canaux communs dans GSM (RACH)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 45 / 82
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Canaux communs dans GSM (AGCH)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 46 / 82
Canaux communs dans GSM (PCH)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 47 / 82
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Principe de lacce`s dans GSM (1/2)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 48 / 82
Principe de lacce`s dans GSM (2/2)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 49 / 82
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Semaine 8 : Interface radio, mcanismes d'accs et handover
-
Voie Balise dans GSM et veille dun terminal
On retrouve le meme principe dacce`s dans les autres reseauxcellulaires (UMTS, LTE,. . . )
acce`s par transmission dune sequence courteallocation dune ressource dedieephase prealable de paging si cest le reseau qui veut joindre le terminal
Mode circuit sur linterface radio (GSM)
allocation de la ressource dediee sur un longue periode
Mode paquet (GPRS, LTE)
allocation de la ressource minimale necessaire pour transmettre lesdonneesacce`s tre`s frequents
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 50 / 82
Transmission de la voix en cas derreur a` la reception
Parole : si un bloc de parole nest pas recu, il... nest pas recu !
La conversation reste comprehensible si quelques blocs isoles sontperdus (typiquement 1%)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 51 / 82
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Transmission de la signalisation en cas de receptioncorrecte
Signalisation : mecanisme dacquittement du bloc
Lexpediteur a lassurance que le message est bien arrive au recepteur (NB. pasnecessairement au destinataire final)
Mecanismes identiques sur la voie montante (acquittement descendant) etdescendante (acquittement montant)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 52 / 82
Transmission de la signalisation en cas derreur a` lareception
Signalisation : un message dont lacquittement na pas ete recu est retransmis
jusqua` bonne reception dun acquittementjusqua` ce que le nombre maximal de retransmissions soit atteint (engeneral, coupure de la connexion)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 53 / 82
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Protocole de liaison de donnees
Protocole de liaison de donnees ou ARQ (Automatic Repeat reQuest)
Voir Mooc Introduction aux reseaux de donneesProtocole de niveau 2 : entre terminal et station de base (pas entrelexpediteur et le destinataire final)
Protocole de type Send And Wait (Envoyer et Attendre)
Toutes les donnees sont envoyees dans des tramesEnvoi dune trame puis attente de la reception de lacquittementSi reception dun acquittement positif, passage a` la trame suivanteSi non reception dun acquittement positif (dont receptionacquittement negatif), retransmission de la meme trame
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 54 / 82
Protocole LAPDm, liaison de donnees
LAPDm, Link Access Protocol on the Dm channel (Dm = SDCCH,SACCH)
Protocole herite du protocole HDLC largement utilise dans les reseaux
Numerotation des trames sur 3 bits (0 a` 7 modulo 8) dans un champappele N(S)
Numerotation des acquittements sur 3 bits (0 a` 7 modulo 8) dans unchamp appele N(R)
Le champ N(R) indique le numero de la prochaine trame attendue
N(R)=1 signifie je mattends a` recevoir la trame 1 donc jai bien recula trame 0
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 55 / 82
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Scenario LAPDm sans erreur
Incrementation regulie`re du numero de trame N(S)
Du fait de la bonne reception, le numero N(R) est le numero immediatementsuperieur a` N(S) (modulo 8)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 56 / 82
Scenario LAPDm avec erreur sur une trame
Retransmission de la meme trame
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 57 / 82
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Scenario LAPDm avec erreur sur un acquittement
Retransmission de la meme trame
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 58 / 82
Fonctionnement et place du LAPDm dans larchitecture
Couche Liaison de donnees : protocole LAPDm
Service rendu : fiabilisation des echanges de messages entre terminal et BTS
Utilise sur les canaux dedies ou associes (SDCCH, FACCH, SACCH)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 59 / 82
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Format de la trame LAPDm (1/3)
Trame limitee a` 23 octets (information utile 20 octets)
Segmentation possible des messages de niveaux 3 en plusieurs trames
pas de fanion delimiteur mais une indication de longueur
Pas de code detecteur derreur dans la trame LAPDm car il est place dans lacouche physique
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 60 / 82
Format de la trame LAPDm (2/3)
Champ adresse
SAPI, Service Access Point IdentifierIdentifie lentite utilisatrice superieureSAPI=0 pour signalisation, SAPI=3 pour SMS
autres sous-champs moins importants (non detailles)
Champ longueur
nombre doctets du champ dinformation (0 a` 20)bit M, More, utilise pour la segmentation et le reassemblage
M=1, la trame suivante contient la suite du message de niveau 3M=0, dernie`re partie du message de niveau 3 (ou message nonsegmente)
autres sous-champs moins importants (non detailles)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 61 / 82
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Format de la trame LAPDm (3/3)
Memes format du champ Control que pour le protocole HDLC standard
Trame dinformation I
Trames de supervision, RR=Receiver Ready (acquittement), RNR=Receiver NotReady, REJ = Reject
Trames non numerotes , SABM=Set Asynchronous Balanced Mode (etablissementde connexion), UA=Unumbered Acknowledgement, Disc=Disconnect (demande dedeconnexion), DM = Disconnect Mode
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 62 / 82
Etablissement et liberation de connexion avec LAPDm
Specificites du LAPDm
La trame detablissement de connexion SABM peut contenir un message deniveau 3La reponse UA contient le meme message en echo
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 63 / 82
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Etablissement de canal dedie puis connexion LAPDm
De`s lallocation dun canal dedie, une connexion de niveau 2 est etablie entre leterminal et la BTS
Les messages de niveau 3 sont ensuite echanges sur la connexion de niveau 2
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 64 / 82
Exemple de mise en oeuvre du concept de Non AccessStratum
Toute trame emise par un terminal sur un canal dedie est retransmise par la BTSavec lindication du canal dedie (et reciproquement pour le sens descendant)Une connexion, specifique au terminal, est etablie entre le BSC et le MSC
NAS, Non Access Stratummessages echanges entre le terminal et le MSCretransmission sans analyse du message par la BTS et le BSCexemples : authentification, mise a` jour de localisation, appel telephonique,SMS
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 65 / 82
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Exemple de mise en oeuvre du Concept dAccess Stratum
AS, Access Stratum
messages echanges entre le terminal et le BSCretransmission sans analyse du message par la BTSexemples : allocation de ressource radio initiale, allocation dune nouvelleressource radio, handover
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 66 / 82
Autre exemple de message dAccess Stratum
Exemple dechange de messages AS, Access Stratum entre des echanges NAS
Lors dun appel telephonique :
echange de signalisation sur le SDCCH (authentification, activation duchiffrement) = messages NASallocation dun canal plein debit TCH : message dallocation = message ASlechange de messages AS nest pas vu du MSC
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 67 / 82
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Retour sur les piles protocolaires dans le reseau dacce`s
Utilisation de la signalisation semaphore sur linterface A entre BSC et MSC
MTP, Message Transfer Part (MTP 1 a` MTP 3)SCCP, Signalling Connection Control Part en mode connecte
BSSAP, Base Station Subsystem Application Part, echange de commande entreMSC et BSC (principalement)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 68 / 82
Principes generaux du handover
Handover ou Hand-off (US) = Changement de cellule en cours decommunication (ou de session)
Mesures par le mobile sur la station de base courante et les stationsde bases voisines (niveau de puissance, dinterferences, etc.)
Transmission regulie`re ou sur crite`re des mesures vers linfrastructure
Mesures par linfrastructure
De`s quil est considere comme necessaire de faire un handover
reservation des ressources par le reseauenvoi de la commande de handover
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 69 / 82
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Hard Handover
Hard-handover = une seule liaison radio a` chaque instant entre le terminal et lastation de base
coupure de la liaison avec la station de base courante
etablissement de la liaison avec la nouvelle station de base courante
micro-coupure de la communication
mais possibilite davoir une double connexion au sein du reseau (hors liaison radio)
simplicite et faibles ressources consommees dans le reseaumobile pas toujours connecte a` la meilleure cellule (hysteresis pour eviter uneffet ping-pong)
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 70 / 82
Soft Handover
Soft-handover = plusieurs liaisons radios possibles (i.e. entre le terminal etplusieurs stations de base)
continuite de la communication (seamless handover)
confort dutilisation pour les communications vocalesabsence de perte dinformation pour les transmissions de donnees en modecircuit
continuite importante dans un approche circuit mais beaucoup moins dans unetransmission par paquet, par essence discontinue
Mobile est connecte a` plusieurs stations de base :
le mobile est connecte a` la meilleure station de base meme en cas devariation rapide du signal
Consommation de ressources dans le reseau dacce`s
considere comme un must dans les annees 90 mais abandonne dans lessyste`mes cellulaires 4G
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 71 / 82
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Caracteristiques du handover dans GSM
hard-handover
remontee periodique de mesures radios par le terminal de`s quuncanal dedie est alloue (communication, SMS, etc.)
Algorithme de decision
dans le BSCchoix de loperateur mais avec une proposition dalgorithme dans lanorme
Handover inter-cellulaire
lorsque le mobile seloigne de la BSpour des questions dequilibre de charge
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 72 / 82
Differents cas de handover dans le reseau
Le MSC qui a etabli la communication garde toujours le controle dela communication : notion de MSC-ancre ou MSC-AnchorPassage de la communication par un deuxie`me MSC : MSC-relais ouMSC-relay
X. Lagrange (Telecom Bretagne) Interfaces radios des reseaux cellulaires 16/04/14 73 / 82
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Phases dun handover
Phase dobservation (de`s quil y a un canal dedie alloue dans GSM)Mesures faites par la station de base sur la communication couranteMesures faites par le mobile
sur la communication courantesur les voies balises des cellules voisines
Declenchement du handoverPhase de preparation (handover preparation)
Reservation des ressources dans le reseau (radio, sur liaisons entreequipements)Echange de signalisation entre equipements (stations de baseprincipalement) du reseau non visible du terminal
Phase dexecution (handover execution)Echanges de messages avec le terminal sur lancienne puis la nouvellecellule
Phase de finalisation (handover completion)Liberation des ressources non utilisees dans le reseauEchange de signalisation entre equipements = non visible du terminal
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Phase dobservation
Le Mobile la MS effectue les mesures suivantes :sur le canal courant,
le niveau de signal recu (note RXLEV),la qualite du signal recu (notee RXQUAL, liee au taux derreur bit).
Sur les voies balises des cellules voisines (selon declaration par chaquestation de base)
le niveau de signal recu (note RXLEV),
Selection des 6 meilleurs voisins et transfert des mesuresMesures transmises sur le canal SACCH toutes les 480 ms.Analyse par le BSC (filtrage ou pre-traitement possible dans la BTS)
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Phase de preparation
Cas dun handover dune BTS a` une autre BTS controle par le memeBSC
Reservation dun canal sur la nouvelle BTS (par exemple un canalphysique pour supporter un TCH/SACCH)
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Execution du handover
Envoi dun message HANDOVER COMMAND contenantla description comple`te du canal alloue sur la nouvelle cellule : numero de slot, frequence (ou parame`tres de lasequence de saut), type de canal,. . .un numero de reference
Le mobile fait un acce`s (emission dun burst dacce`s court) qui contient le meme
numero de referenceverification du numero de reference par la BTS
Reetablissement des connexions de niveau 2
Lorsque le message RR HANDOVER COMPLETE (couche 3) est recu par le BSC,tous les echanges (signalisation, communication vocales) peuvent reprendre via lastation de base cible
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Finalisation du handover
Liberation des ressources sur lancienne cellule (qui peuvent etreutilisees pour une nouvelle communication)
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Autres cas de handover dans GSM
Cest toujours le BSC qui decide du handover Le BSC prepare lehandover en echangeant des messages avec le BSC cible pour que lesressources radio soient reservees dans la cellule cible
Le BSC prepare le handover en echangeant des messages avec le BSCcible pour que les ressources radio soient reservees dans la cellule cible
Le MSC nintervient pas dans les cas de handover intra-BSC,
Le MSC ou les MSC sont transparents par rapport aux dialoguesBSC-BSC
Le protocole ISUP est utilise pour modifier les circuits de parole dansle dialogue MSC-MSC
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Handover inter-BSC, phase de preparation
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Handover inter-BSC, phase dexecution et finalisation
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Le handover, une operation delicate
Importance dun bon algorithme bien parametre
ne pas declencher le handover trop totne pas declencher le handover trop tard
Necessite de disponibilite de ressources radios dans la cellule cible
Mobile garde sur la cellule origine (si possible !)Choix dune autre cellule cible (si possible !)
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Glossaire de sigles et termes GSM/GPRS (+ quelques sigles UMTS)
3GPP 3rd Generation Partnership Project A3 Algorithme mis en uvre dans la procdure d'authentification (il permet de calculer
SRES partir de Ki et du RAND). A38 Algorithme runissant les algorithmes A3 et A8. A5 Algorithme de chiffrement/dchiffrement de l'ensemble des informations transmises
sur la voie radio (signalisation, voie ou donnes) utilisant la cl Kc et le numro de trame courante. Plusieurs algorithmes A5 sont prvus (A5.1, A5.2, A5.3, ...).
A8 Algorithme utilis pour calculer la cl de chiffrement Kc partir des arguments d'entre RAND et Ki.
AAL2 ATM Adaptation Layer 2. AAL dsigne la couche intermdiare entre ATM et les applications. Cette couche fournit des services quivalents un transport dans le modle OSI 7 couches.
ASCII American Standard Code for Information Interchange. Norme de reprsentation des caractres par un code de 7 bits, appel aussi code CCITT n5.
ACS Adjacent Channel Suppression. Rapport maximal admissible entre l'interfrence sur un canal adjacent e
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