Introduction et GSM

Architectures des
réseaux mobiles
André-Luc BEYLOT
ENSEEIHT
Département Télécommunications et Réseaux
PLAN GENERAL
n
Introduction
n
Architecture Protocolaire du GSM
n
GPRS
n
UMTS
2
Introduction
n
Réseaux de mobiles : Un monde très orienté « Télécoms »
u
u
u
n
Réseaux Privés sans fil : 1 évolution pour les réseaux locaux
u
u
n
Réseaux personnels : Bluetooth
Réseaux locaux sans fil : IEEE 802.11
Diffusion
u
u
n
Téléphonie : suprématie du GSM (Global System for Mobile communications)
Intégration voix/données nécessaire : GPRS (General Packet Radio System)
Débit supérieur, multimédia : UMTS (Universal Mobile Telecom. System)
Boucle locale radio
DVB, satellites
Internet
u
IP-mobile, IP cellulaire et MANET (Mobile Ad-hoc NETworks)
3
Réseaux de Mobiles et Réseaux
sans fil
n
Réseaux de mobiles
u
u
u
Un utilisateur mobile = capable de communiquer à l ’extérieur
de son réseau d’origine en conservant son adresse
Pbs de compatibilité de signalisation
Exemples :
F
GSM :
• Mobilité autorisée au sein de réseaux utilisant le GSM
• Utilisation de la HLR et de la VLR
F
n
IP-mobile
Réseaux sans fil : lié au support de transmission
u
u
u
Système de communications sans prise murale
Utilisation du support hertzien
Exemples : téléphone sans cordon de résidence
4
Réseaux cellulaires
n
n
Atténuation du signal => concept cellulaire
Augmentation du nombre d ’utilisateurs
u
u
Cellules de plus en plus petites
Micro-cellules et antennes petites faible puissance d’émission
Zone de
Zone de
Localisation
Localisation
Zone de
Sous-Réseau
Localisation
5
Caractéristiques des
réseaux de mobiles
n
Méthodes d ’accès au support : FDMA, TDMA, CDMA
n
L’allocation des ressources : FCA, DCA, HCA
n
La sécurité : authentification, cryptage des données
n
n
n
n
Le transfert intercellulaire : Handover ou Handoff
Le paging
Le contrôle de puissance
Le dimensionnement
u
u
probabilité de blocage
probabilité de coupure
6
Fonctions du Réseau Cellulaire
n
Gestion de la mobilité (Mobility Management)
u
u
u
n
Gestion des Appels (Call Management)
u
u
n
HLR (Home Location Register) : 1 par réseau d’abonnement
VLR (Visitor Location Register) : 1 par zone d’enregistrement
Compromis : Enregistrement/Paging
Mise en place, fermeture des connexions
C ’est de la signalisation : typiquement SS7
Gestion des Ressources Radio (Radio Resource Management)
u
u
Choix de la fréquence porteuse la plus forte
Contrôle de puissance
7
Schémas d’architectures des
réseaux de mobiles
Terminal Mobile
Antenne Terrestre
Commutateur
Commutateur
Carte à puce
Interface
UIM-MT
User Identity
Module (UIM)
Mobile Terminal
(MT)
Interface
MT-RAN
Interface
RAN-CN
Radio Access Network
(RAN)
Interface
CN-CN
Core Network
(CN)
Core Network
(CN)
8
Architecture Simplifiée du GSM
VLR
VLR
HLR
D
PS
PS
PS
PS
G
Signalisation
PS
B
C
A bis
RTC
A
Interface air
...
...
Mobile Station
Base Station System
Base Station
Controller
Mobile-service
Switching Center
Local Exchange
(commutateur de raccordement) 9
PRINCIPAUX PROTOCOLES DU GSM
CM
MM
BSSAP
RR
SCCP
MTP3
LAPDm
LAPD
MTP2
physique
physique
MTP1
...
...
MT
BTS
BSC
BSSAP : Base Station Subsytem Application Part
SCCP : Signalling Connection Control Part
MTP : Message Transfer Part (protocoles du SS7)
MSC
10
Interface Air - Couche 1
n
Différents canaux logiques
Broadcast Channel
(BCH)
unidirectionnel
en diffusion
Common Control
Channel (CCCH)
↓↑
accès partagé
Frequency Correction Channel (FCCH) ↓
Calage Fréquence Porteuse
Synchronization Channel (SCH) ↓
Synchro + Identification
Broadcast Control Channel (BCCH) ↓
Information Système
Paging Channel (PCH) ↓
Appel du Mobile
Random Access Channel (RACH) ↑
Accès aléatoire du mobile
Access Grant Channel (AGCH) ↓
Allocation de Ressources
Cell Broadcast Channel (CBCH) ↓
Messages courts diffusés
Stand-Alone Dedicated Control Channel (SDCCH) ↑↓
Dedicated Control
Channel (DCCH)
Traffic
Channel (TCH)
Signalisation
Slow Associated Control Channel (SACCH) ↓↑
Supervision de la liaison
Fast Associated Control Channel (FACCH) ↓↑
Exécution du Handover
Traffic Channel for coded speech
(TCH/FS) (TCH/HS) ↑↓
Voix plein/demi débit
Traffic Channel for data ↑↓
Données utilisateur
11
Interface Air - Couche 1
Hypertrame = 2048 supertrames
3 h 25 m 53.76 s
Supertrame = 51 multi-trames de trafic
= 26 multi-trames de contrôle
6.12 s
Multi-trame de Trafic
= 26 Trames
Multitrame de contrôle = 51 trames
235.4 ms
120 ms
Trame = 8 slots
Slot = 156.25 bits
4.615 ms
577µs
Bit = 3.69 µs
12
Interface Air - Couche 2
n
n
Canaux de trafic : rien
Canaux de signalisation :
u
u
u
n
DCCH : LAPDm
BCH - BCCH (contrôle de la qualité et synchronisation) : rien
CCCH + BCCH : transparent (message de niveau 3 mis dans
des trames sans en-tête ni acquittement
LAPDm : version mobile du LAPD utilisé dans le RNIS-BE
u
u
Pas de fanion
Longueur fixe : 23 octets sur SDCCH et FACCH, 21 sur
SACCH
Adresse
Commande
Longueur
Information
Bourrage
13
LAPDm
n
SAPI = 3 bits
u
n
Champ de commande
u
n
n
En fait seuls 0 et 3 sont utilisés : 0 sig, 3 SMS
cf. LAPB : SABM, pas de SREJ
Champ de longueur (bit M: fragmentation)
Procédures de dialogue
u
u
u
u
Mode sans connexion : trames UI sans acquittement
Mode avec connexion : SABM/UA ; fenêtre de taille 1
Multiplexage : SAPI (attention canaux dédiés)
Pour SMS : SAPI 3, messages confirmés (mode connecté)
F
u
u
usager en communication : SACCH associé, sinon SDCCH
SDCCH et FACCH utilisé pour des messages de sig => cnx
14
SACCH (SAPI 0) : utilisé pour des mesures => pas de cnx
Couche 3 sur l’interface radio
n
n
n
n
Comporte 3 sous-couches : RR, MM et CM
CM redivisée en CC (Call Control), SS(Supplementary
Services), SMS (Short Messages)
Pas de processus d’encapsulation entre les couches
Format de messages commun pour les sous-couches
Identificateur de
Champs
transaction
type de
obligatoires
Identificateur de message
de longueur fixe
transaction
n
n
Champs
obligatoires
de longueur variable
Champs
optionnels
Identificateur de transaction : éventuellement plusieurs
communications avec mise en attente
Discriminateur de protocole : Sous-couche à laquelle il se
15
rapporte
Couche 3 sur l’interface radio
n
Couche RR :
u
u
u
n
Couche MM :
u
u
u
n
Gère la connexion radio
Etablissement d’un canal dédié + rétablissement en cas de
handover
Etablie entre MS et BSC
Gestion de la mobilité (échange MS et réseau - localisation)
Sécurité
Connexions MM : pas de message spécifique. Considérée
comme établie lors de l’envoi de messages de CM, SMS
Couche CM :
u
u
Assez proche des fonctionnalités offertes dans les réseaux
fixes (CC, SS)
16
Seuls les SMS sont spécifiques
Interface Abis (BTS-BSC)
Canaux de trafic ~ Canaux B du RNIS
TCH
SDCCH
SACCH
BCCH
n
n
Canaux de sig ~ Canaux D du RNIS
Débit = 16 ou 64 Kbit/s
Au niveau 2 (canaux D) : protocole LAP-D
u
u
u
u
u
Messages de sig des niveaux supérieurs
Messages de supervision et de maintenance de la BTS
Messages internes de gestion de la liaison de données BTS-BSC
Différents SAPI dans l ’adresse des trames
1 TRX (Transmitter/Receiver Module) gère une fréquence
F
F
adresses TEI différentes pour les TRX ;
numéro de slot - message de niveau 3
17
Interface Abis - niveau 3
CM
MM
Couches Supérieures
RR
RR’
Message
transparent
Message
transparent
BTSM
distribution
LAPDm
LAPD
LAPD
PHY
PHY
PHY
PHY
Interface Abis
Messages transparents : BSC <-> MS
u
n
distribution
LAPDm
Interface radio
n
BTSM
discriminateur, type de message, numéro de slot, canal
logique, SAPI (0 ou 3) + message
Messages non transparents : Gestion de la BTS
18
Interface A
n
n
Interface BSC - MSC
Repose sur le SS7 :
u
u
u
3 couches basses
SSCS (sous-système de commande des connexions
sémaphores) ou SSCP (Signalling Connection Control Part)
BSSAP : Base Station Subsystem Application Part
F
BSSMAP (BSS Management Part)
• Message de gestion d’un BSC ex: ressources disponibles ? (SSCP
sans connexion - classe 0)
• Messages liés à un canal dédié - handover, allocation, libération
(SSCP avec connexion - classe 2)
F
DTAP : messages de sig transitant par le BSC (transparent)
• utilise SSCP avec connexion
F
19
Discrimination : en-tête des messages BSSAP (distribution)
Interface A
CM
CM
MM
MM
BSSAP
DTAP
RR
+
BTSM
RR
BSSAP
BSSMAP
DTAP
distribution
BSSMAP
distribution
SSCP
SSCP
MTP3
MTP3
LAPDm
LAPD
MTP2
MTP2
PHY
PHY
MTP1
MTP1
Interface Interface
radio
Abis
Interface A
20
Exemple :
Allocation canal signalisation
...
...
MT
BTS-A
RR - Channel Request
RACH
BSC
MSC
BTSM - Channel Required
BTSM - Channel Activation
BTSM - Channel Activation ACK
BTSM - Immediate Assignment Command
RR - Immediate Assignment
AGCH
SABM[MM CM_SERVICE REQUEST]
SDCCH
SCCP CONNECTION REQUEST BTSM - Establish Indication
[MM CM_SERVICE REQUEST] [BSSMAP COMPLETE Layer3INFO
[MM CM_SERVICE REQUEST]]
UA[MM CM_SERVICE REQUEST]
SDCCH
SCCP CONNECTION CONFIRM
21
Exemple :
Signalisation « paging »
...
...
MT
BTS-A
RR - Paging Command
BSC
RR - Paging Request
RR - Paging Command BTS-B
RR - Paging Req
PCH
PCH
RR - Channel Request
RACH
BTSM - Channel Required
BTSM - Channel Activation
BTSM - Channel Activation ACK
BTSM - Immediate Assignment Command
RR - Immediate Assignement
AGCH
SABM[RR Paging Response] BTSM - Establish Indication
[RR Paging Response]
SDCCH
UA[RR Paging Response]
SDCCH
22
Exemple : Appel Sortant
...
...
MT
BTS-A
MSC/VLR
CA
Etablissement du canal dédié
MM CM_Service Request
COMPLETE Layer3INFO [MM CM_Service Request]
MM Authentication Request
MM Authentication Response
RR Ciphering Mode Command
BSSMAP CIPHER Mode Command
RR Ciphering Mode Complete
BSSMAP Cipher Mode Complete
CC Set Up (num demandé)
CC Call Proceeding
RR Assignment Request
RR Assignment Complete
ISUP IAM
BSSMAP Assignment Request
BSSMAP Assignment Complete
ISUP ACM
CC Alerting
ISUP ANM
CC Connect
CC Connect Acknowledge
23
Exemple : Appel Entrant
...
...
MT
BTS-A
MSC/VLR
HLR
GMSC
CA
ISUP IAM (MISDN)
MAP_send_routing_info
MAP_provide_roaming_number
MAP_provide_roaming_number.ack
MAP_send_routing_info ack
Paging
ISUP IAM (MSRN)
Authentification + Passage en mode crypté
CC Setup
CC Call Confirmed
RR Assignment Command
RR Assignment Complete
BSSMAP Assignment Request
BSSMAP Assignment Complete
CC Alerting
CC Connect
ISUP ACM
ISUP ACM
ISUP ANM
ISUP ANM
24
Exemple :
Handover intra-BSC
...
...
...
...
MT
BTS-A
BSC
BTS-B
MT
RR Measurement Report
SACCH
RR Measurement Report
BTSM Measurement Result
BTSM Measurement Result
BTSM Channel Activation
SACCH
RR Handover Command
BTSM Channel Activation ACK
FACCH
RR Handover Access
Access burst sur TCH
RR Handover Access
BTSM Handover Detection
Access burst sur TCH
RR Physical Info
UI - FACCH
RR Physical Info
UI - FACCH
SABM - FACCH
RR Handover Complete
BTSM RF Channel Release
UA - FACCH
FACCH
BTSM RF Channel Release ack
25
Exemple :
Mise à jour localisation
...
...
MT
BTS
MSC/VLR2
HLR
VLR1
Etablissement d’1 canal dédié
MM Location Updated Request (TMSI,LAI) BSSMAP
Complete Layer 3 info
[Location Update Request]
MM Authentication Request
MAP Send Identification (TMSI)
MAP Send Identification ack (IMSI, Rand, Sres, Kc)
MM Authentication Response
MAP Update Location
MAP Cancel Location
MAP Cancel Location ack
MAP insert subscriber data
MAP insert subscriber data ack
Passage en mode crypté
MAP update location ack
MM TMSI Reallocation Command
MM TMSI Reallocation complete
MM Location Update Accept
Libération connexions et ressources
26
Architecture Protocolaire SMS
...
...
MT
SMS-GMSC
SMS-IWMSC
MSC/VLR
SC
SME
SM-AL
SM-TL
SM-TL
SM-RP
CM
SM-RP
SM-CP
CM
MAP
MAP
MM
MM
RR
BSSAP
TCAP
TCAP
LAPDm
SSCP
SSCP
SSCP
MTP1-3
MTP1-3
PHY
MTP1-3
SME : Short Message Entity
27
Transfert d’1 SMS
depuis 1 mobile
...
...
MT
BTS
MSC/VLR
HLR
SMS-IWMSC
SC
Etablissement d’1 canal dédié
Authentification et passage en mode crypté
SMS CP-data [RP-data]
SMS CP-ack
MAP Forward Short Message
MAP Forward Short Message ack
Envoi du Message
acquittement
SMS CP-data [RP-ack]
SMS CP-ack
Libération
28
Transfert d’1 SMS
vers 1 mobile
...
...
MT
BTS
MSC/VLR
HLR
SMS-GMSC
SC
Transfert de Message
MAP send routing info for SM
MAP send routing info for SM ack
MAP Forward Short Message
Paging et réponse
Authentification et chiffrement
SMS CP-data [RP-data]
SMS CP-ack
SMS CP-data [RP-ack]
SMS CP-ack
MAP Forward Short Message ack
libération
MAP rapport délivrance
MAP rapport délivrance ack
Compte-rendu
d’expédition
29
Transmission d’1 SMS
sur SDCCH
...
...
MT
RR Channel Request
SDCCH
SABM[CM Request Service]
SDCCH
UA[CM Request Service]
SDCCH
SABM[SAPI=3]
SDCCH
UA[SAPI=3]
SDCCH
BTS
Channel Required
BSC
MSC
Allocation canal dédié
Establish Indication [CM Service Request]
SCCP Connection Request [CM Service Request]
Authentification et chiffrement
Establish Indication [SAPI=3]
SMS CP-DATA + ACK
SDCCH
Clear Command
RR Channel Release
SDCCH
DISC[SAPI=0]
SDCCH
UA[SAPI=0]
SDCCH
Deactivate SACCH
Release Indication
RF Channel Release
RF Channel Release Ack
Clear Complete
30