session 5.introduction-reseaux mobiles
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5/24/2018 Session 5.Introduction-reseaux Mobiles
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Rseaux mobiles
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Environnement radio-mobile
Concept cellulaire
Architecture des rseaux mobiles
Services
Interconnexion
Plan
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Environnement radio-mobile
Concept cellulaire
Architecture des rseaux mobiles
Services
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Phnomnes
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Proprits du canal Radio-Mobile
3 types de variation du canal radio-mobile :
Grande chelle : Fonction de la distancemetteur-rcepteur. Pathloss ou affaiblissementde parcours.
Moyenne chelle : Shadowing ou effet demasque. Echelle de la taille des obstacles(quelques dizaines de mtres en milieu urbain etquelques mtres en indoor).
Petite chelle : Fading rapide ou vanouissement.Lis aux trajets multiples. Echelle de l'ordre de lademi-longueur d'onde.
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Dgradations de londe
Attnuation due la distance parcourue
(pathloss),
Effets de masques (shadowing effects),
Evanouissements (fadings) par propagation
multitrajet.
Brouillages causs par d'autres missions :- Interfrences (co-canal ou canal adjacent),
- Bruit ambiant.
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Caractristiques de la propagation
Les caractristiques de propagation dpendent :
Morphologie du terrain,
Densit de vgtation,
Hauteur, combinaison, nature et densit des
btiments,
Conditions mto, Etc.
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Multitrajets
Origine : Rflexions multiples sur les obstacles
rencontrs par l'onde.
Deux effets :
- Positif
- Ngatif
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Effets positifs du multitrajet
Communications russies mme en prsence
de masque : contournement des obstacles.
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Effets ngatifs du multitrajet
Mutlipath spread = (longer path-shorter path)/c ;
o c dsigne la vitesse de la lumire.
Dpendance: Direction, rflectivit et distance
entre les objets.
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Interfrences
Co-canal
Canal adjacant.
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Interfrence co-canal
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Interface radio-mobile
Caractristiques :
-Complexit,
-Diffusion.
Environnement de transmission :
-Changeant,
-Emetteurs/Rcepteurs mobiles,
-Multitrajets,
-Limitation du spectre.
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Modles de prdiction de la
propagation
Diffrents types de modles
Petite chelle : Rayleigh, Rice, Nakagami, ...
Grande chelle : Okumura-Hata, Walfish-Ikegami, ...
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Environnement radio-mobile
Concept cellulaire
Architecture des rseaux mobiles
Services
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Architecture cellulaire
Rutilisation des frquences:
Plus de capacit.
Plus de couverture.
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Spcificit des systmes cellulaires
Gestion de la mobilit des abonns.
Gestion de linterface radio.
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Concept cellulaire
Problme de base = Comment desservir une rgion de tailleimportante (pays, continent)
- Avec une bande de frquences limite,
- Avec une densit de trafic importante, qui varie dans le temps et
dans lespace et pouvant augmenter,- Offrir des services tlphoniques et autres des usagers
fixes et mobiles ?
Concept cellulaire avec rutilisation des frquences.
Mcanisme de rutilisation des frquences :
Repose sur la proprit dattnuation des signaux avec la distance. Cellules utilisant la mme frquence.
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Rutilisation des frquences Principe: Repose sur lutilisation des mmes
frquences porteuses pour couvrir des zonesdiffrentes spares par des distances suffisantespour que linterfrence co-canal ne soit pasimportante.
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Notion de motif
Rutiliser F1,F2,F3 siC/I > seuil (e.g. 7 dB)
C=signal utile
I: signal dinterfrence( Co-Channel interference)
Concept cellulaire : Spectre defrquences disponible limit paroprateur et systme =>rutiliser les mmes frquences une distance suffisante pourviter les interfrences.
D: Distance inter motif.
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Cellule
Surface gographique dont les limites sont fixespar :
Puissance transmise et la sensibilit desrcepteurs,
Rapport C/I fix par le systme,
Capacit grer le maximum de communicationspossibles sur la surface alloue avec la QoSdemande,
Intgration de la cellule dans lenvironnement(CEM, supports matriels, )
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Structure interne dune cellule
1. Zone de service : partie o tout mobile ne peut treconnect qu cette cellule,
2. Zone interne de la zone de service : couverture des mobilesproches de la station, frquences utilises moins protges,
3. Zones de transfert (pour le HO).
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Contraintes sur la taille des cellules
Contraintes diffrentes selon lenvironnement :
Milieu rural :
- Grandes cellules (3 30 km),
- Facteurs dimensionnant : puissance,sensibilit,
Milieu urbain :
- Taille rduite (300 m 3 km),
- Facteur limitant : rapport C/I.
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Architecture cellulaire
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Couverture indoor et outdoor
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Conclusions
Environnement radio-mobile : complexe et en
fluctuation constante,.
Environnement cellulaire : contraintes de
rutilisation (QoS et capacit).
Planification, optimisation et exploitation
complexes.
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Environnement radio-mobile
Concept cellulaire
Architecture des rseaux mobiles
Services
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Architecture des rseaux Mobiles
GSM
GPRS
UMTS
NGN
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Historique
1G - NMT (Nordic Mobile Telephone) Mise en service en 1981
Base sur une technologie de tlphonie analogique sans-fil. Sa
technologie de modulation radio est similaire celle utilise par les
stations radio FM.
AVANTAGES INCONVENIENTS
1er radiotlphones analogiques sans fils Taille imposante des quipements
Pas de confidentialit de communications
Rseaux saturs
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2G - GSM (Global system of mobile communication)
Dveloppe partir de 1990; Reprsente la premire technologie de tlphonie numrique sans fil ;
Son dbit moyen est similaire celui du FAX, c'est--dire 9,6 kbits/sec.
AVANTAGES INCONVENIENTS
Meilleure qualit dcoute Dbit: envoi de donns lentes
Taille rduite
Confidentialit des communications
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2.5G GPRS (General Packet Radio Service)
Dbit thorique est de lordre de 171, 2 kbit/s, et le dbit rel est delordre de 30 kbit/s.
Lobjectif principal de cette volution est daccder aux rseaux IP.
AVANTAGES INCONVENIENTS
Dbit Pas daccs satisfaisant internet
Accs WAP (Internet allg) Rseau GSM dj saturs
Facturation la donne Aucune application dcisive pour le
grand public
Connexion permanente possible
Support de plusieurs niveaux de qualit de
service
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2.75G EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution ) dvelopp au cours de lanne 2005;
dbits rels de lordre de 177 kbits/s ;
introduit une nouvelle modulation : 8-Phase Shift Keying (8-PSK) .
AVANTAGES INCONVENIENTS
Solution alternative moins onreuse que la 3G Obligation de changer de terminal
Dbit plus lev que le GPRS
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3G UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) dvelopp en 2004 sous sa premire version Release 99 (R99) ;
fonctionne sur la bande de frquences 1900-2000 MHz et permet un dbitrel de lordre de 384 kbits/s (8 fois plus rapide que le GPRS).
AVANTAGES INCONVENIENTS
Accs internet haut-dbit depuis unquipement mobile ou un ordinateur
cot
Visiophonie Changement des quipements usagers
Tlvision
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Rsum
GPRS
200 KHz carrier
115 Kbps peak data rates
EDGE
200 KHz carrier
Data rates up to 384
Kbps
8-PSK modulation
Higher symbol rate
UMTS
5 MHz carrier
2 Mbps peak data
rates
New IMT-2000 2 GHz
spectrum
GSM
200 KHz carrier
8 full-rate time slots
16 half-rate time
slots
GSM GPRS EDGE UMTS
3G2.5G2G
HSCSD
HSCSD
Circuit-switched data
64 Kbps peak data
rates
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Architecture des rseaux Mobiles
GSM
GPRS
UMTS
NGN
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Architecture du rseau GSM
BSC
BSC
MSC
MS
MS
MS BTS
BTS
BTS
GMSC
RTC
RNIS2/3G
EIR
AUC
HLR
VLR
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Architecture GSM
Mobile Station (MS)
Mobile Equipment (ME)
Subscriber Identity Module (SIM)
Base Station Subsystem (BSS)
Base Transceiver Station (BTS)
Base Station Controller (BSC)
Network Switching Subsystem(NSS)
Mobile Switching Center (MSC)
Home Location Register (HLR)Visitor Location Register (VLR)
Authentication Center (AUC)
Equipment Identity Register (EIR)
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Mobile Station (MS)
La Mobile Station (MS)est compose du :
- Mobile Equipment(le terminal GSM) et du
- Subscriber Identity Module (SIM).
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Mobile Equipment
Le Mobile Equipmentest identifi (exclusivement)
l'intrieur de n'importe quel rseau GSM par
l'International Mobile Equipment Identity (IMEI).
Les terminaux GSM sont diviss en cinq classes en
fonction de leur puissance maximale de transmission
sur le canal radio, qui varie entre un maximum de 20
Watt et un minimum de 0.8 watt.
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Carte SIM
La carte SIM contient l'International Mobile Subscriber Identity(IMSI), qui
sert identifier l'abonn dans
n'importe lequel des systmes GSM, et les procdures
de cryptographie qui sauvegardent le secret de l'information de
l'utilisateur ainsi que d'autres donnes telles que, par exemple, la
mmoire alphanumrique du tlphone et la mmoire relative auxmessages de texte (SMS).
L'IMSI prsente la structure suivante: MCC / MNC / MSIN
o:
MCC = Mobile Country Code (2 ou 3 chiffres, pour la France 33)
MNC = Mobile Network Code (2 chiffres, en France 06)
MSIN = Mobile Station Identification Number(maximum 10 chiffres)
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Le sous-systme radio BSS
(Base Station Sub-system)
Sa fonction principale est la gestion de l'attribution des ressources radio
indpendamment des abonns, de leur identit ou de leur communication.
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La station de base BTS
(Base Transceiver Station)
La Base Transceiver Station contient tous les metteurs-rcepteurs
appels TRX relis la cellule et dont la fonction est de transmettre
et recevoir des informations sur le canal radio en proposant une
interface physique entre la Mobile Station et le BSC.
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Fonctions de la BTS (1/2)
Mesures des interfrences sur les canaux non allous des communications (idle
channels).
Mesures sur la liaison montante (uplink), servant l'algorithme de dcision du
handover.
Calcul du Timing Advance (avance de temps) pour la synchronisation temporelle,
selon la distance qui spare la BTS du mobile.
Dtection des demandes d'accs des mobiles reus sur le canal de contrlecommun (RACH).
Dtection des messages de handover access (HO ACCESS).
La capacit de grer les canaux Full Rate et Half Rate.
La gestion de la Diversit dAntennes, autrement dit l'utilisation de deux antennes
de rception afin d'amliorer la qualit de signal reu; les deux antennesreoivent le mme signal, indpendamment l'une de l'autre et sont atteintes
diffremment par le fading: la probabilit qu'elles soient atteintes en mme temps
par unfading important est presque nulle.
La supervision du Rapport des Ondes Statiques (ROS) en antenne.
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F ti d l BTS
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Fonctions de la BTS (2/2)
Le Frequency Hopping (FH): la variation de frquence utilise dans un canal radio
des intervalles rguliers afin damliorer la QoS travers la diversit dans la
frquence. Discontinuous Transmission (DTX) soit dans le uplink que dans le downlink.
Le Contrle Dynamique de la Puissance (DPC) de la MS et des BTS: le BSC
dtermine la puissance optimale avec laquelle la MS et le BTS effectuent la
transmission sur le canal radio.
La gestion des algorithmes de chiffrage: l'information de l'utilisateur estcryptographie afin de garantir l'abonn une certaine rserve sur le canal du
trafic et sur celui de codage. Le processus de cryptographie des donnes
doit tre mis en oeuvre par le BTS sur les informations transmises sur
le canal radio; l'algorithme de cryptographie qui doit tre utilis est
transmis au BTS par le BSC sur la base des indications reues par le
MSC et la clef cryptographique est unique pour chaque utilisateur. Le standard
GSM Phase II supporte 8 algorithmes de chiffrage.
Le monitorage de la connexion radio se fait en relevant les signaux
radiofrquences, ces relevs sont ensuite envoys au BSC pour l'laboration afin
d'assurer un haut niveau de qualit la communication radio.
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BSC
Le contrleur de station gre les ressources radio pour une ou plusieurs BTS,
travers le monitorage de la connexion entre la BTS et les MSC (il s'agit de
centrales de commutation qui offrent la liaison au rseau fixe ou d'autres
rseaux), et aussi travers les canaux radio, le codage, le frequency hopping
et les handovers.
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Fonctions du BSC
La gestion et la configuration du canal radio : il doit choisir pour chaque
appel la cellule la mieux adapte et doit slectionner l'intrieur de celle-
ci le canal radio le plus adapt la mise en route de la communication.
La gestion de handover intra BSC : il dcide, sur la base des relevs reuspar la BTS, le moment pour effectuer le handover, autrement dit, le
changement de cellule lors des dplacements de l'utilisateur pendant
une conversation, l'intrieur de la surface de couverture de sa
comptence.
Les fonctions de dcodage des canaux radio Full Rate (16 kbps) ou Half
Rate (8 kbps) pour des canaux 64 kbps.
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Le sous-systme rseau NSS
(Network Station Sub-system)
Il assure principalement les fonctions de commutation et de routage. C'est
donc lui qui permet l'accs au rseau public RTCP ou RNIS. En plus des
fonctions indispensables de commutation, on y retrouve les fonctions de
gestion de la mobilit, de la scurit et de la confidentialit qui sont
implantes dans la norme GSM.
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Le MSC (Mobile Services Switching Center)
Le MSC est l'lment central du NSS. Il gre grce aux informations reues
par le HLR et le VLR, la mise en route et la gestion du codage de tous les
appels directs et en provenance de diffrents types de rseau tels que
PSTN, ISDN, PLMN. Il dveloppe aussi la fonctionnalit du gateway face
aux autres composants du systme et de la gestion des processus de
handover, et il assure la commutation des appels en cours entre des BSC
diffrents ou vers un autre MSC.
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Fonctions du MSC
(Mobile Services Switching Center)
L'authentification de l'auteur de l'appel: l'identification de la MS l'originede l'appel est ncessaire pour dterminer si l'utilisateur est en droit de
bnficier du service.
La discrtion quant l'identit de l'utilisateur, pour pouvoir garantir la
rserve sur son identit sur le canal radio, mme si toutes les informations
sont cryptographies, le systme se garde toujours de transmettre l'IMSIattribu lors de la signature du contrat par l'usager; par contre l'on
attribue le Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI), au moment de
l'appel car il ne prsente qu'une utilit temporaire : le MSC a aussi pour
mission de mettre en relation le TMSI et le IMSI et lorsque le mobile
se dplace sur l'aire de location contrle par un autre MSC, il doit luiattribuer un nouveau TMSI.
Le processus de handover: Un utilisateur peut, sur le rseau GSM,
continuer d'utiliser le service mme quand, pendant une conversation,
il franchit les limites de la cellule dans laquelle il se trouve.
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Le HLR (Home Location Register)
Lorsqu'un utilisateur souscrit un nouvel abonnement au rseau GSM,
toutes les informations qui concernent son identification (abonns) sont
mmorises sur le HLR. Il a pour mission de communiquer au VLR
quelques donnes relatives aux abonns, partir du moment o ces
derniers se dplacent d'une location area une autre. A l'intrieur du HLR
les abonns sont identifis comme suit :
MSISDN = CC / NDC / SN
o :
- CC = Country Code, indicatif international (le CC franais est 33)- NDC = National Destination Code, indicatif national de l'abonn sans le
zro
- SN = Subscriber Number, numro qui identifie l'utilisateur mobile
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Fonctions du HLR (Home Location Register)
La scurit : dialogue avec l'AUC et le VLR.
L'enregistrement de la position : dialogue avec le VLR et MSC.
La gestion des donnes relatives l'abonn : dialogue avec l'OMC et le VLR.
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Le VLR (Visitor Location Register) 1/2
Le Visitor Location Register (VLR) est une base de donnes qui mmorise
de faon temporaire les donnes concernant tous les abonns qui
appartiennent la surface gographique qu'elle contrle. Ces donnes sont
rclames l'HLR auquel l'abonn appartient. Gnralement pour simplifierles donnes rclames et ainsi la structure du systme, les constructeurs
installent le VLR et le MSC cte cte, de telle sorte que la surface
gographique contrle par le MSC et celle contrle par le VLR
correspondent.
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Le VLR (Visitor Location Register) 2/2
Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI), il est employ comme
garant de la scurit du IMSI, et il est attribu chaque changement de
LA.
La condition de la MS (en veille, occupe, teinte)
L'tat des services complmentaires comme Call Waiting, Call Divert, Call
Barring, etc.
Les types de services auxquels l'abonn a souscrit et auxquels il a droit
d'accs (voix, service de donnes, SMS, d'autres services auxiliaires).
La Location Area Identity (LAI) qui comprend la MS faisant partie du
groupe contrl par le MSC/VLR.
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L'AuC (Authentication Center) 1/2
Le Centre d'authentification est une fonction du systme qui a pour but
de vrifier si le service est demand par un abonn autoris, et ceci en
fournissant soit les codes pour l'authentification que pour le chiffrage.
Le mcanisme d' authentification vrifie la lgitimit de la SIM sanstransmettre, pour autant, sur le canal radio les informations personnelles
de l'abonn, telles le IMSI et la clef de chiffrage dans le but de vrifier si
l'abonn qui essaye d'accder au service est autoris et n'est pas abusif;
le chiffrage par contre gnre quelques codes secrets qui serviront pour
cryptographier tous les changes qui ont lieu sur le canal radio.
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L'AuC (Authentication Center) 2/2
L'authentification se fait de faon systmatique chaque fois que la MS se
connecte au rseau et plus prcisment dans les cas suivants :
Chaque fois que la MS reoit ou met un appel.
A chaque mise jour de la position de la MS (location updating).
A chaque demande de mise en activit, de cessation d'activit ou de
l'utilisation des services supplmentaires.
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Le sous-systme oprationnel OSS
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Le sous systme oprationnel OSS
(Operating Sub-System)
Il assure la gestion et la supervision du rseau. C'est la fonction dont
l'implmentation est laisse avec le plus de libert dans la norme GSM. La
supervision du rseau intervient de nombreux niveaux :
- Dtection de pannes.
- Mise en service de sites.
- Modification de paramtrage.
- Ralisation de statistiques.
Dans les OMC (Operation and Maintenance Center), on distingue l'OMC/R
(Radio) qui est reli toutes les entits du BSS, travers les BSC, l'OMC/S(System) qui est reli au sous systme NSS travers les MSC. Enfin
l'OMC/M (Maintenance) contrle l'OMC/R et l'OMC/S.
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Les interfaces
Linterface Um
Cest linterface entre les deux sous systmes MS et la BTS. On la nommecouramment "interface radio" ou "interface air".
Linterface AbisCest linterface entre les deux composants du sous systme BSS : laBTS (Base Station Transceiver) et le BSC (Base Station Controler).
Linterface A
Cest linterface entre les deux sous systmes BSS (Base Station SubSystem) et le NSS (Network Sub System).
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Architecture des rseaux Mobiles
GSM
GPRS
UMTS
NGN
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Motivation
le transport des donnes sur le rseau GSMn'autorise qu'au mieux des dbits de 9,6 kbit/s.
C'est pourquoi la technologie GPRS (General PacketRadio Service) a t dfinie, permettant de
contourner le problme de monopolisation de canal,
et par la mme de rsoudre le problme de la
facturation la dure, ainsi que de permettre desdbits rsolument plus importants.
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GPRS
Des dbits levs : Les dbits proposs par GPRS sont suprieurs au dbit de 9,6kbit/s offert par GSM pour le transfert de donnes: Ceci est possible en
configurant l'quipement mobile afin d'utiliser plusieurs ITs (Intervalles de temps)
dans les sens montants et descendants. En pratique, un quipement GPRS peut
gnralement utiliser 4 ITs dans le sens descendant et 2 ITs dans le sens montant.
Les dbits obtenus sont alors de 50 kbit/s et 20 kbits/s respectivement.
Une facturation au volume ou au contenu : Le GPRS permet de facturer lesservices en fonction du volume (nombre de paquets changs) ou en fonction du
contenu (e.g., par image envoye), la diffrence de la politique de facturation
la dure pour le transfert de donnes en mode circuit. Cela permet de disposer
d'une session de donnes permanente sans que l'usager ait payer pour les
priodes d'inactivit et sans allocation de ressource de manire statique.
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GPRS Vs GSM
GPRS Vs GSM1. Support des deux commutation de circuit uniquement.
commutations de circuitet de paquet.
2. MS utilises des Automatic Pas de re-transmission sur les MS
retransmission (ARQ) pourretransmettre les trames erronnes.
3. Multiple time slots peuvent Single time slot par usager tre affects un usager.
4. Un time slot peut tre allou Single time slot par usager plusieurs usagers.
5. Facturation complexe Facturation simple base sur la dure(base sur le volume, la Q.o.S. )
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Architecture GPRS
BTS
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Architecture GPRS
Border
Gateway (BG)
GGSN
Charging
Gateway (CG) InternetBackbone
network
(IP based)
Intranet
Fire Wall
(FW)
SGSN
Inter-PLMN
networkDomain Name Server
(DNS)
HLR/AuC
EIR/SMSC
PSTNNetworkMSC/VLR
IubBTS
BTS
BSC
BSC
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Impact du GPRS sur GSM
Entits GSM/GPRS Logiciel Matriel
BTS Extension requise Aucun changement
BSC Extension requise Interface PCU
MSC/VLR Extension requise Aucun changement
HLR Extension requise Aucun changement
Nouvelles entits
MS Mobile Station
SGSN Serving GPRS Support Node
GGSN Gateway GPRS Support NodeCGF Charging Gateway Function
OMC-G Operations and Maintenance Centre
GPRS
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SGSN
Lentit SGSN (Service GPRS Support Node) se charge dans son aire de service des
transmissions de donnes entre les stations mobiles et le rseau mobile.
Le SGSN est connect plusieurs BSC et prsent dans le site dun MSC.
Le SGSN :
Authentifie les stations mobiles GPRS
Prend en charge lenregistrement des stations mobiles au rseau GPRS. Prend en charge la gestion de la mobilit des stations mobiles. En effet, une station
mobile doit mettre jour sa localisation chaque changement de zone de routage.
Etablit, maintient et libre les contextes PDP, qui correspondent des sessions de
donnes permettant la station mobile d'mettre et de recevoir des donnes.
Relaie les paquets de donnes de la station mobile au rseau externe ou du rseau
La station mobile
Collecte les donnes de taxation de linterface air
Sinterface dautres noeuds (HLR, MSC, BSC, SMSC, GGSN, Charging Gateway).
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GGSN
Lentit GGSN (Gateway GPRS Support Node) joue le rle dinterface des rseaux de donnes
Externes (e.g., X.25, IP). Elle dcapsule des paquets GPRS provenant du SGSN les paquets dedonnes mis par le mobile et les envoie au rseau externe correspondant. Egalement, le GGSN
permet dacheminer les paquets provenant des rseaux de donnes externes vers le SGSN du
mobile destinataire. Le GGSN est gnralement prsent dans le site dun MSC. Il existe un GGSN
ou un nombre faible de GGSN par oprateur
Le GGSN :
Joue le rle dinterface aux rseaux externes de type IP ou X.25 mme si en pratique
seule l'interface vers des rseaux IP est mise en oeuvre.
Ressemble un routeur. Dailleurs dans de nombreuses implantations, il sagit dun
routeur IP avec des fonctionnalits supplmentaires.
Relaie les paquets aux stations mobiles travers un SGSN; Il faut noter que les paquets
ne sont pas dlivrs la station mobile si cette dernire na pas activ un contexte PDP. Route les paquets mis par la station mobile la destination approprie.
Filtre le trafic usager.
Collecte les donnes de taxation associes lusage des ressources entre SGSN et GGSN.
Sinterface dautres noeuds (SGSN, HLR, Charging Gateway).
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PCU
Pour dployer le GPRS dans les rseaux d'accs, on rutilise les
infrastructures et les systmes existants. Il faut leur rajouter une entit
responsable du partage des ressources et de la retransmission des donnes
errones, l'unit de contrle de paquets (PCU, Packet Control Unit) par une
mise jour matrielle et logicielle dans les BSCs.
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Backbones GPRS
Lensemble des entits SGSN, GGSN, des routeurs IP ventuels reliant les
SGSN et GGSN et les liaisons entre quipements est appel rseau fdrateur
GPRS (GPRS backbone). On peut distinguer deux types de backbones GPRS :
Backbone intra-PLMN : il sagit dun rseau IP appartenant loprateur de
Rseau GPRS permettant de relier les GSNs de ce rseau GPRS.
Backbone inter-PLMN : Il sagit dun rseau qui connecte les GSNs de
diffrents oprateurs de rseau GPRS. Il est mis en oeuvre sil existe un
accord de roaming entre deux oprateurs de rseau GPRS. Deux backbones
Intra-PLMN peuvent tre connects en utilisant des Border Gateways
(BGs).
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CGF
La passerelle de taxation (CGF, Charging Gateway Function) permet le
transfert des informations de taxation du SGSN et du GGSN au systme de
facturation (BS, Billing System). L'entit CGF peut tre implante de faon
centralise ou de manire distribue en tant intgre aux noeuds SGSN et
GGSN. L'interface entre les GSNs et l'entit CGF est supporte par leprotocole GTP.
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Dbits GPRS
Schma de
Codage
Dbit (Kbit/s)
Interface AirDbit utilisable
CS-1 9,05 6,8
CS-2 13,4 10,4
CS-3 15,6 11,7
CS-4 21,4 16,0
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De GPRS vers EDGE
Le GPRS est lui-mme susceptible d'voluer vers la technologie EDGE
(Enhanced Data Rates for GSM Evolution). Cette dernire propose un dbit
suprieur (en pratique 100 kbit/s) et ncessite une modification technique
moindre que pour l'UMTS (Elle est qualifie ce titre de technologie 2,75 G).
Elle est en revanche beaucoup plus onreuse que la migration GSM/GPRS car
elle ncessite une nouvelle technologie de modulation.
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Architecture des rseaux Mobiles
GSM
GPRS
UMTS
NGN
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UMTS
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UMTS
Universal Mobile Telecommunications System
Cest une des technologies de tlphonie mobile de troisime
gnration (3G)
Elle est parfois aussi appele 3GSM
Le dploiement de l'UMTS a t frein en raison de son cot.
La particularit des technologies 3G est davoir un rseau cur IP.
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L'UMTS repose sur la technique d'accs multiple W-CDMA (Wideband
Code Division Multiple Access).
Les frquences alloues pour l'UMTS sont 1885-2025 MHz et 2110-2200
MHz.
L'UMTS permet thoriquement des dbits de transfert de 1,920 Mbit/s,
mais en pratique, autour de 384 kbit/s
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Hirarchie des cellules de LUMTS
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Hirarchie des cellules de L UMTS
Tout comme le rseau GSM, lUMTS est divis en plusieurs cellules detailles variables. Chacune dentre elles est prsente en fonction de la
densit de population servir et de la vitesse de mobilit. Laccs parsatellite est une extension.
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Les Services De LUMTS
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Les Services De L UMTS
Sur laxe des ordonnes se trouve le dbit demand pour le service en
question. Chacun des services est regroup par leur type de connexion
(bidirectionnel, unidirectionnel, diffusion point/multipoint).
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Rseau daccs UTRAN
Le rseau daccs UTRAN est dot de plusieurs fonctionnalits:
Transfrer les donnes gnres par lusager.
Permet la confidentialit et la protection des informations.
Permet une estimation de la position gographique
Se charge dallouer et de maintenir des ressources radio ncessaires lacommunication.
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Rseau cur
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Rseau cur
Le rseau coeur de lUMTS est compos de trois parties :
- Le domaine CS (Circuit Switched) utilis pour la tlphonie .
- Le domaine PS (Packet Switched) qui permet la commutation de paquets.
- Les lments communs aux domaines CS et PS .
Ces deux domaines permettent aux quipements usagers de pouvoir grer
simultanment une communication paquets et circuits.
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Architecture globale du rseau UMTS
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NodeB : Le rle principal du NodeB est dassurer les fonctions de rceptionet de transmission radio pour une ou plusieurs cellules du rseau daccsde lUMTS avec un quipement usager. Le NodeB travaille au niveau de la
couche physique du modle OSI . Nous pouvons trouver deux types deNodeB:
NodeB avec antenne omnidirectionnelleNodeB avec antennes sectorielles
RNC : Le rle principal du RNC est de router les communications entre le
NodeB et le rseau cur de lUMTS. Il travaille au niveau des couches 2 et 3du modle OSI (contrle de puissance, allocation de codes).
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Le GGSN (Gateway GPRS Support Node) est une passerelle vers les
rseaux commutation de paquets extrieurs tels que lInternet.
Le SGSN (Serving GPRS Support Node) est une passerelle permettant
l'acheminement des donnes dans les rseaux mobiles GPRS. Il maintient
les informations identifiant l'abonn et les services utiliss. Il contrle la
localisation du mobile sur une "Routing Area".
Le GMSC (Gateway Mobile Switching Centre) fournit la fonction EDGE
pour les rseaux GSM . Pour les appels mobiles, il interagit avec le HLR
(Home Location Register) pour obtenir des informations de routage.
Le VLR (visitor local register) est une base de donnes temporairecontenant des informations sur tous les utilisateurs (Mobile Stations) du
rseau.
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Le MSC est un quipement de tlphonie mobile (2G/3G) en charge du
routage dans le rseau, de l'interconnexion avec les autres rseaux et de
la coordination des appels. chaque MSC est associ un VLR qui connat
les informations dtailles sur les usagers que le MSC doit grer.
Authentication Center (AuC), dsigne une fonction d'authentification de
la carte SIM(Subscriber Identity Module) utilise sur un rseau de mobiles
GSM. L'AuC est associ au HLR (Home Location Register).
Le registre des terminaux (not EIR pour Equipement Identity Register) : il
s'agit d'une base de donnes rpertoriant les terminaux mobiles.
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LUMTS est une excellente solution du point de vue technique .ses
contraintes proviennent essentiellement:
Investissement dans la licence? Rentabilit (ARPU suffisant? Culture consommateurs?)
Achat de matriel
installation massive sur le territoire national
Achat de spectre d'mission
exploitation, nouveaux terminaux
Contraintes
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Architecture des rseaux Mobiles
GSM
GPRS
UMTS
NGN
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Evolution des Rseaux Tlcoms
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Evolution des Rseaux Tlcoms
Problmatique de linterconnexion et de la convergence.
Avant: principalement le service tlphonique classique
Aujourdhui: Dveloppement des NGN + Multiplication des Oprateurs
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Quel genre darchitecture NGN?
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Quel genre d architecture NGN?
Lvolution des Tlcoms rpond principalement une doubleattente:
La convergence des Rseaux (fixe/Mobile et Voix/donnes)
Lintgration de Services multimdias
Objectif: Dcoupler la fourniture du service de son transport
indpendamment du mode daccs . Garantir lintrt du consommateur et la concurrence sur
le march.
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P i i d l hit t NGN
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Principe de larchitecture NGN
Le passage une architecture NGN sinscrit avant tout:
Diminution des cots Passage une infrastructure unique base sur IP
le commutateur traditionnel est scind en deux lments distincts:
Le Mdia Gateway Assurer le Transport
Le Softswitch Assurer le contrle dAppel
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Architecture de rfrence
Ces couches sont :
Indpendantes
Communiquent entre elles via des interfaces ouvertes
Cette structure:
Garantie une meilleure flexibilit et une implmentation de nouveaux
services plus efficaces
Assure une interconnexion dun rseau NGN avec dautres rseaux(NGN ou Traditionnels)
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Couche Accs
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Regroupe les quipements des utilisateurs permettant la gestion delaccs au rseaux (Selon une technologie daccs)
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Couche Transport
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Responsable de lacheminement du trafic voix ou donnes(selon le protocole utilis)
Lquipement important ce niveau : MGW(responsable de ladaptation des protocoles de transport)
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Couche de contrle
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Couche de contrle
Gre lensemble des fonctions de contrle de services et de contrle dappels
Lquipement important ce niveau est le Softswitch (Serveur dappel)
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Couche dexcution des Services
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5/24/2018 Session 5.Introduction-reseaux Mobiles
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Couche dexcution des Services
Regroupe lensemble des fonctions permettant la fourniture de services dansun rseau NGN.
Les quipements importants ce niveau sont:
+les Serveurs dapplications+les Enablers qui grent linformation
Lutilisation du :+ SIP pour des sessions multimdia
+ IP pour le service de voix
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Couche Applications
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5/24/2018 Session 5.Introduction-reseaux Mobiles
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Couche Applications
Regroupe les diffrent services et applications susceptible dtre offerts dans unearchitecture NGN.
Regroupe lenvironnement de cration de service qui sappuie sur les serveursdapplication et les Enablers (Couche dexcution de services)
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La migration vers Les NGN
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Introduction de nouvellestechnologies au cur du rseau
Nouvelles Problmatiques en terme deRgulation
Rseau
La migration vers Les NGN
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Migration vers les Rseaux NGN
La Migration vers les NGN Processus invitable(Double convergence Voix/Donnes et Fixe/Mobile)
Apparat comme
Cette Migration sannonce:Longue (de 1020ans)
Incomplte (Architectures Traditionnelles)
Difficile court terme (solutions concurrentes)
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Environnement radio-mobile
Concept cellulaire
Architecture des rseaux mobiles
Services
Droulement dune connexion ( / )GSM
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Droulement dune connexion (1/5)
Une BTS plusieurs canaux (multiplexage en frquence) dont un rserv la signalisation
Lorsque quon allume un portable, il parcourt les canaux de signalisation
possibles pour trouver une ou plusieurs BTS
Sil en trouve plusieurs, il slectionne celle quil reoit le mieux ou lamoins occupe
Sil n en trouve aucune, il ressaie priodiquement (watch dog)
Une fois la BTS slectionne, il effectue une requte de connexion sur
celle-ci.
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Droulement dune connexion (2/ )GSM
-
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Pour se connecter, le portable donne son identifiant stock dans la carte SIM (carte microprocesseur)
+ ventuellement l identifiant du portable (lutte contre le vol deportables)
La BTS vrifie si elle peut prendre la connexion
pour viter la surcharge d une BTS
si elle ne peut pas, elle envoie un message ALERT pour que le portable
cherche une autre BTS
La BTS transmet la demande de connexion la BSC qui transmet au MSC
auquel elle est associe.
Droulement d une connexion (2/5)
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Droulement dune connexion (3/5)GSM
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Le MSC enregistre la localisation du portale et transmet au VLR
le VLR enregistre la localisation du portable (MSC et zone de localisation
associe)
Une zone de localisation est dfinie par un ensemble de MSC.
le VLR transmet au HLR (unique ou dupliqu pour le rseau complet)
le HLR possde une table de tous les identifiants des abonns ainsi que
leur dernire localisation et leur cl secrte
le HLR demande au VLR de la dernire localisation d annuler
lenregistrement
(pb. si l abonn est actif dans le VLR en question)
Droulement d une connexion (3/5)
99
Droulement dune connexion (4/5)GSM
-
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Droulement d une connexion (4/5)
100
Droulement dune connexion (5/5)GSM
-
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Une fois la connexion autorise et la cl de session (CS) reue, la BTS
attribue un canal au portable
Toutes les communications seront dornavant cryptes avec la cl de
session
C est la BTS qui dcrypte Les communications entre BTS et MSC,
entre MSC et RTC sont cbles donc cryptage interdit...
Droulement d une connexion (5/5)
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tablissement duneGSM
-
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Le MSC (ou son quivalent pour le RTC) demande au HLR la
confirmation que l abonn existe et sa dernire localisation
On interroge le MSC en question pour savoir si le portable est toujours
connect une de ses BTS
si oui, on tablit la communication BTS-BSC-MSC-RTC pour un appel mis
d un tlphone fixe ou BTS-BSC-MSC-MSC-BSC-BTS (voire BTS-BSCMSC-
RTC-MSC-BSC-BTS ou BTS-BSC-MSC-BSC-BTS )
si non, on effectue la mme recherche sur les autres MSC de la zone de
localisation si chec, on essaie les zones adjacentes...
si encore chec, recherche exhaustive (sic ! viter choix stratgique : la
dfinition des zones de localisation)
communication vers un portable
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Gestion de la mobilit en cours de connexion (1/4)
GSM
-
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Deux cas : en-ligne ou hors-ligne
en-ligne est prioritaire, il ne faut pas que la communication soit coupe
Gestion de la mobilit en cours de connexion (1/4)
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Gestion de la mobilit en cours de connexion (2/4)
GSM
-
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Condition de hand-over :
Quand la qualit de connexion passe en dessous d un seuil
- Qualit du connexion = fonction qualit du signal, nergie du portable
(handover= coteux en nergie), surcharge de la BTS, date du dernier
hand-over- seuil est diffrent si l on est en-ligne ou hors-ligne
- lorsque lon est en-ligne, il vaut mieux dclencher le hand-over le plus
tt possible pour pouvoir pr-router
Quand on reoit un message ALERT de la BTS
signifie que la BTS est surcharge et que la communication risque de
couper ( choix de positionnement des BTS est capital zone urbaine plusmaille que zone rurale)
Gestion de la mobilit en cours de connexion (2/4)
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Gestion de la mobilit en cours de connexion (3/4)
GSM
-
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Gestion de la mobilit en cours de connexion (3/4)
Choix de la BTS cible :
fonction de la qualit du signal (canal de signalisation), de la surcharge et
de l appartenance ou non au mme MSC.
si la BTS cible appartient au mme MSC
- simple re-routage interne, la MSC valide la
redirection en interrogeant la BTS cible et
enregistre la nouvelle localisation
- NB : les algos de hand-over sont confidentiels
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Gestion de la mobilit en cours de connexion (4/4)
GSM
-
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Gestion de la mobilit en cours de connexion (4/4)
Si la BTS cible appartient un autre MSC
- le MSC associ la BTS cible doit valider la redirection.
- aprs validation la MSC cible met jour la localisation vis--vis de la VLR
qui lui associe (si diffrente de celle de la MSC source, il faut aussi
annuler l enregistrement prcdent)- mise jour dans la HLR
Choix du regroupement des BTS et BSC puis MSC est important
- sil y a frquemment des hand-over entre deux BTS (exemple le long d
une voie rapide), il vaut mieux quelles appartiennent au mme MSC
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Transfert de donnes
GSM
-
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Transfert de donnes
linstar des codecs qui transforment le signal de parole en un train debits, le GSM a normalis ds ses premires phases de dveloppement des
interfaces pour les donnes.
Ces interfaces se prsentent comme des sortes de modems permettant
dadapter le passage dun flux de donnes dans le terminal et entre lerseau mobile et le rseau public.
Cette fonction est ralise ct mobile par un lment appel TAF
(Terminal Adaptation Function) et ct rseau par lIWF (InterWorking
Function).
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Architecture type dun transfert de donnesGSM
-
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Architecture type d un transfert de donnes
108
Le service SMS (1/2)
GSM
-
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Le service SMS (1/2)
Le service de messages courts offert par le rseau GSM (SMS, pour ShortMessages Service) permet un utilisateur de composer un message
textuel d'au plus 160 caractres (cods l'aide d'ASCII 7 bits sur 140
octets) partir de son terminal mobile et de l'envoyer un destinataire
possdant galement un tlphone radio-mobile GSM ou une entit
extrieure au rseau GSM appele SME (Short Message Entity).
Le service SMS ncessite la mise en place d'un ou plusieurs serveurs
spcifiques dans le rseau. Le serveur de messages courts (SMSC) assure
le stockage des SM (dans des bases de donnes), la distribution des SM
aux terminaux mobiles destinataires (quand ceux-ci se sont manifestsdans le rseau GSM auquel ils appartiennent) et le traitement des dates
de validit des SM.
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Le service SMS (2/2)
GSM
-
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Le service SMS (2/2)
Le SMSC est repr par un numro de tlphone appartenant au PLMN.Le dialogue entre le SMSC et le terminal mobile se fait travers le MSC.
Pour l'acheminement d'un SM vers un terminal mobile destinataire, unepasserelle (gateway ) est ncessaire : la SMS-G-MSC. Celles-ci routent lesSM vers le MSC visit (VMSC pour Visited MSC) en interrogeant le HLR. UnSM issu d'un terminal mobile est rout vers le SMSC du MSC associ auterminal mobile vers le MSC associ au SMSC.
110
Canaux de signalisation (1/2)
GSM
-
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Canaux de signalisation (1/2)
le canal de la voix (abonnement classique): la voix est encode ettransmise numriquement par le rseau GSM : c'est le canal de tlphonie
classique.
le canal des donnes (service Data/Fax de GSM): les donnes (issues d'un
PC reli au tlphone mobile) sont encodes de manire diffrente de la
voix et transmises par le rseau GSM. Les donnes et la voix sonttransmises sur les mmes canaux logiques de trafic (TCH, pour Traffic
CHannel) ;
le canal de signalisation (canal smaphore SS7) : les messages courts
transitent sur ce canal. Un tel canal est dsign par SDCCH, pour Stand-
alone Dedicated Control CHannel ;
111
Canaux de signalisation (2/2)
GSM
-
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Canaux de signalisation (2/2)
Les canaux logiques de trafic (TCH) permettent de transmettre la parole 5,6 ou13 kbit/s (selon le mode plein ou demi-plein) ou des donnes jusqu' 12 kbit/s. Par
contre les canaux logiques de signalisation (SDCCH) n'autorisent qu'un dbit de
800 bits/s.
De plus, ces 2 types de canaux logiques, il est ncessaire d'associer un canal
logique de contrle des paramtres physiques de la liaison (SACCH, pour Slow
Associated Control CHannel). Ces 3 types de canaux logiques sont ensuitemultiplexs dans des canaux physiques.
Un canal physique est constitu de l'association d'une frquence porteuse et d'un
intervalle de temps dans une trame multiplexe dans le temps (TDMA , pour Time
Division Multiple Access). Un canal physique peut supporter soit un TCH et le
SACCH associ, soit huit canaux de signalisation SDCCH et leurs SACCH associs.
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Services GPRSGPRS
-
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* Communications- E-mail, fax, intranet/ internet access.
* Value added services - Information services, games,e-commerce.
* Location-based applications - Navigation, traffic conditions,airline/rail schedule, location finder.
* Location sensitive A user nearing a cinema hall orAdvertising - a restaurant receives flashes of
advertisement
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FacturationGPRS
-
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114/116
SGSN
Operator
IP backbone
GGSNBorder Gateway
Inter operatorIP network Internet
Billing SystemCharging Gateway
Nokia Charging Gateway
receives CDRs generated bySGSN and GGSN
consolidates and merges
CDR to a suitable format for
BS
Ga
Ga
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Facturation (suite)GPRS
-
5/24/2018 Session 5.Introduction-reseaux Mobiles
115/116
Charging
Gateway (CG)BSCsBTS
Internet
Billing System
MCHU
PAPUs
SGSN
STEP 1
STEP 2
SGSN
Charging
Intra-PLMN
IP backbone
STEP 3
Start charging
CDR
STEP 4
CDR
STEP 5
STEP 5
GMM
SMS-T-CDRs
SMS-O-CDRsS-CDRs
M-CDRs
115
Options de facturation dans le GPRS
GPRS
-
5/24/2018 Session 5.Introduction-reseaux Mobiles
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Flat Rate (Internet Access)
Traffic Volume based rate
Rate based on time spent on line
Per access point
Unified messaging service
QoS Negotiated
Access Point Name
Options de facturation dans le GPRS