Introduction et GSM
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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