Architectures desréseaux mobiles

André-Luc BEYLOTENSEEIHT

Département Télécommunications et Réseaux

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PLAN GENERALn Introduction

n Architecture Protocolaire du GSM

n GPRS

n UMTS

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Introductionn Réseaux de mobiles : Un monde très orienté « Télécoms »

u Téléphonie : suprématie du GSM (Global System for Mobile communications)u Intégration voix/données nécessaire : GPRS (General Packet Radio System)u Débit supérieur, multimédia : UMTS (Universal Mobile Telecom. System)

n Réseaux Privés sans fil : 1 évolution pour les réseaux locauxu Réseaux personnels : Bluetoothu Réseaux locaux sans fil : IEEE 802.11

n Diffusionu Boucle locale radiou DVB, satellites

n Internetu IP-mobile, IP cellulaire et MANET (Mobile Ad-hoc NETworks)

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Réseaux de Mobiles et Réseauxsans fil

n Réseaux de mobilesu Un utilisateur mobile = capable de communiquer à l ’extérieur

de son réseau d’origine en conservant son adresseu Pbs de compatibilité de signalisationu Exemples :

F GSM :• Mobilité autorisée au sein de réseaux utilisant le GSM• Utilisation de la HLR et de la VLR

F IP-mobilen Réseaux sans fil : lié au support de transmission

u Système de communications sans prise muraleu Utilisation du support hertzienu Exemples : téléphone sans cordon de résidence

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Réseaux cellulairesn Atténuation du signal => concept cellulairen Augmentation du nombre d ’utilisateurs

u Cellules de plus en plus petitesu Micro-cellules et antennes petites faible puissance d’émission

Zone de Localisation

Sous-Réseau

Zone de Localisation

Zone de Localisation

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Caractéristiques desréseaux 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 Le transfert intercellulaire : Handover ou Handoffn Le pagingn Le contrôle de puissancen Le dimensionnement

u probabilité de blocageu probabilité de coupure

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Fonctions du Réseau Cellulairen Gestion de la mobilité (Mobility Management)

u HLR (Home Location Register) : 1 par réseau d’abonnementu VLR (Visitor Location Register) : 1 par zone d’enregistrementu Compromis : Enregistrement/Paging

n Gestion des Appels (Call Management)u Mise en place, fermeture des connexionsu C ’est de la signalisation : typiquement SS7

n Gestion des Ressources Radio (Radio Resource Management)u Choix de la fréquence porteuse la plus forteu Contrôle de puissance

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Schémas d’architectures desréseaux de mobiles

Carte à puce

User IdentityModule (UIM)

Terminal Mobile

Mobile Terminal(MT)

InterfaceUIM-MT

Antenne Terrestre

Radio Access Network(RAN)

Commutateur

Core Network(CN)

Commutateur

Core Network(CN)

InterfaceMT-RAN

InterfaceRAN-CN

InterfaceCN-CN

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Architecture Simplifiée du GSM

......

Base Station SystemMobile Station

Base Station Controller

Mobile-serviceSwitching Center

Interface air

A bisA

PSPS

VLR

PS

VLR

PS

HLR

PS

RTC

G B C

D

Signalisation

Local Exchange(commutateur de raccordement)

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PRINCIPAUX PROTOCOLES DU GSM

physique

LAPDm

......

BSSAP : Base Station Subsytem Application PartSCCP : Signalling Connection Control Part

MTP : Message Transfer Part (protocoles du SS7)

physique MTP1

LAPD MTP2

MTP3

RR

MM

CM

SCCP

BSSAP

BTS BSC MSCMT

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Interface Air - Couche 1n Différents canaux logiques

Broadcast Channel(BCH)

unidirectionnelen diffusion

Frequency Correction Channel (FCCH) ↓

Synchronization Channel (SCH) ↓

Broadcast Control Channel (BCCH) ↓

Calage Fréquence Porteuse

Synchro + Identification

Information Système

Common Control Channel (CCCH)

↓↑accès partagé

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

Dedicated Control Channel (DCCH)

Stand-Alone Dedicated Control Channel (SDCCH) ↑↓ Signalisation

Slow Associated Control Channel (SACCH) ↓↑ Supervision de la liaison

Fast Associated Control Channel (FACCH) ↓↑ Exécution du Handover

Traffic Channel (TCH)

Traffic Channel for coded speech (TCH/FS) (TCH/HS) ↑↓

Voix plein/demi débit

Traffic Channel for data ↑↓ Données utilisateur

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Interface Air - Couche 1

Hypertrame = 2048 supertrames

Supertrame = 51 multi-trames de trafic = 26 multi-trames de contrôle

Multi-trame de Trafic = 26 Trames

Multitrame de contrôle = 51 trames

Trame = 8 slots

Slot = 156.25 bits

Bit = 3.69 µs

577µs

4.615 ms

235.4 ms120 ms

6.12 s

3 h 25 m 53.76 s

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Interface Air - Couche 2n Canaux de trafic : rienn Canaux de signalisation :

u DCCH : LAPDmu BCH - BCCH (contrôle de la qualité et synchronisation) : rienu CCCH + BCCH : transparent (message de niveau 3 mis dans

des trames sans en-tête ni acquittementn LAPDm : version mobile du LAPD utilisé dans le RNIS-BE

u Pas de fanionu Longueur fixe : 23 octets sur SDCCH et FACCH, 21 sur

SACCH

Adresse Commande Longueur Information Bourrage

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LAPDmn SAPI = 3 bits

u En fait seuls 0 et 3 sont utilisés : 0 sig, 3 SMSn Champ de commande

u cf. LAPB : SABM, pas de SREJn Champ de longueur (bit M: fragmentation)n Procédures de dialogue

u Mode sans connexion : trames UI sans acquittementu Mode avec connexion : SABM/UA ; fenêtre de taille 1u Multiplexage : SAPI (attention canaux dédiés)u Pour SMS : SAPI 3, messages confirmés (mode connecté)

F usager en communication : SACCH associé, sinon SDCCHu SDCCH et FACCH utilisé pour des messages de sig => cnxu SACCH (SAPI 0) : utilisé pour des mesures => pas de cnx

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Couche 3 sur l’interface radion Comporte 3 sous-couches : RR, MM et CMn CM redivisée en CC (Call Control), SS(Supplementary

Services), SMS (Short Messages)n Pas de processus d’encapsulation entre les couchesn Format de messages commun pour les sous-couches

n Identificateur de transaction : éventuellement plusieurscommunications avec mise en attente

n Discriminateur de protocole : Sous-couche à laquelle il serapporte

Identificateur de transaction

Identificateur de transaction

type de message

Champsobligatoires

de longueur fixe

Champsobligatoires

de longueur variable

Champsoptionnels

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Couche 3 sur l’interface radion Couche RR :

u Gère la connexion radiou Etablissement d’un canal dédié + rétablissement en cas de

handoveru Etablie entre MS et BSC

n Couche MM :u Gestion de la mobilité (échange MS et réseau - localisation)u Sécuritéu Connexions MM : pas de message spécifique. Considérée

comme établie lors de l’envoi de messages de CM, SMSn Couche CM :

u Assez proche des fonctionnalités offertes dans les réseauxfixes (CC, SS)

u Seuls les SMS sont spécifiques

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Interface Abis (BTS-BSC)

n Débit = 16 ou 64 Kbit/sn Au niveau 2 (canaux D) : protocole LAP-D

u Messages de sig des niveaux supérieursu Messages de supervision et de maintenance de la BTSu Messages internes de gestion de la liaison de données BTS-BSCu Différents SAPI dans l ’adresse des tramesu 1 TRX (Transmitter/Receiver Module) gère une fréquence

F adresses TEI différentes pour les TRX ;F numéro de slot - message de niveau 3

Canaux de sig ~ Canaux D du RNIS

Canaux de trafic ~ Canaux B du RNIS

TCH

SDCCHSACCHBCCH

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Interface Abis - niveau 3

n Messages transparents : BSC <-> MSu discriminateur, type de message, numéro de slot, canal

logique, SAPI (0 ou 3) + messagen Messages non transparents : Gestion de la BTS

PHY

LAPDm

RR

PHY

LAPDm LAPD

PHY

CM

MM

RR’distribution

BTSMMessage

transparent

Interface radio Interface Abis

LAPD

PHY

distribution

BTSMMessage

transparent

Couches Supérieures

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Interface A

n Interface BSC - MSCn Repose sur le SS7 :

u 3 couches bassesu SSCS (sous-système de commande des connexions

sémaphores) ou SSCP (Signalling Connection Control Part)u 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 connexionF Discrimination : en-tête des messages BSSAP (distribution)

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Interface A

PHY

LAPDm

RR

CM

MM

Interface radio

Interface Abis

LAPD

PHY

Interface A

RR+

BTSM

MTP1

MTP2

MTP3

SSCP

distribution

BSSMAPDTAP

BSSAP

MTP1

MTP2

MTP3

SSCP

distribution

BSSMAPDTAP

BSSAP

CM

MM

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Exemple :Allocation canal signalisation

......

BTS-A BSCMT MSC

RR - Channel Request

RACHBTSM - Channel Required

BTSM - Channel Activation

BTSM - Channel Activation ACK

BTSM - Immediate Assignment CommandRR - Immediate Assignment

AGCH

SABM[MM CM_SERVICE REQUEST]

SDCCH BTSM - Establish Indication[MM CM_SERVICE REQUEST]

SCCP CONNECTION REQUEST - [BSSMAP COMPLETE Layer3INFO

[MM CM_SERVICE REQUEST]]

SCCP CONNECTION CONFIRMUA[MM CM_SERVICE REQUEST]

SDCCH

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Exemple :Signalisation « paging »

......

BTS-A BSCMT BTS-BRR - Paging Command RR - Paging Command

RR - Paging Request

PCH

RR - Paging Req

PCH

RR - Channel Request

RACH BTSM - Channel Required

BTSM - Channel Activation

BTSM - Channel Activation ACK

BTSM - Immediate Assignment Command

RR - Immediate Assignement

AGCHSABM[RR Paging Response]

SDCCH

BTSM - Establish Indication[RR Paging Response]

UA[RR Paging Response]

SDCCH

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Exemple : Appel Sortant......

BTS-AMT MSC/VLREtablissement du canal dédié

BSSMAP CIPHER Mode Command

MM Authentication Request

MM CM_Service Request

BSSMAP Cipher Mode Complete

COMPLETE Layer3INFO [MM CM_Service Request]

ISUP IAM

CC Set Up (num demandé)

CA

MM Authentication Response

RR Ciphering Mode Command

RR Ciphering Mode Complete

CC Call Proceeding

BSSMAP Assignment RequestRR Assignment Request

RR Assignment CompleteBSSMAP Assignment Complete ISUP ACM

CC Alerting

CC ConnectISUP ANM

CC Connect Acknowledge

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Exemple : Appel Entrant......

BTS-AMT MSC/VLRISUP IAM (MISDN)

CA

CC Setup

MAP_send_routing_info

HLR GMSC

MAP_provide_roaming_number

MAP_provide_roaming_number.ack

MAP_send_routing_info ack

ISUP IAM (MSRN)Paging

Authentification + Passage en mode crypté

CC Call Confirmed

BSSMAP Assignment RequestRR Assignment CommandRR Assignment Complete

BSSMAP Assignment Complete

CC AlertingISUP ACM

ISUP ACMCC ConnectISUP ANM

ISUP ANM

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Exemple :Handover intra-BSC

......

BTS-AMT BSC

RR Handover Command

RR Measurement ReportBTS-B

......

MT

SACCHRR Measurement Report

SACCH

BTSM Measurement Result

BTSM Measurement ResultBTSM Channel Activation

BTSM Channel Activation ACK

FACCHRR Handover Access

Access burst sur TCHRR Handover Access

Access burst sur TCHBTSM Handover DetectionRR Physical Info

UI - FACCHRR Physical Info

UI - FACCH

SABM - FACCH

UA - FACCHRR Handover Complete

FACCHBTSM RF Channel Release

BTSM RF Channel Release ack

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Exemple :Mise à jour localisation

......

BTSMT MSC/VLR2

MM Authentication Request

MM Location Updated Request (TMSI,LAI)

HLR VLR1

BSSMAP Complete Layer 3 info

[Location Update Request]

MAP insert subscriber data

MAP insert subscriber data ack

MAP Send Identification ack (IMSI, Rand, Sres, Kc)

MAP Update Location

Etablissement d’1 canal dédié

MAP Send Identification (TMSI)

MM Authentication Response

MAP Cancel Location

MAP Cancel Location ack

MAP update location ackPassage en mode crypté

MM TMSI Reallocation Command

MM TMSI Reallocation complete

MM Location Update Accept

Libération connexions et ressources

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Architecture Protocolaire SMS

PHY

LAPDm

RR

CM

MM

MTP1-3

SSCP

BSSAP

CM

MM

......

MT MSC/VLR SC SMESMS-GMSCSMS-IWMSC

SM-RP

SM-TL

SM-AL

SSCP

MTP1-3

TCAP

SM-RP

MAP

SSCP

MTP1-3

TCAP

MAP

SM-TL

SME : Short Message Entity

SM-CP

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Transfert d’1 SMSdepuis 1 mobile

......

BTSMT MSC/VLR HLR SMS-IWMSC

SMS CP-data [RP-data]

MAP Forward Short Message

Etablissement d’1 canal dédié

MAP Forward Short Message ackSMS CP-data [RP-ack]

SC

Authentification et passage en mode crypté

Envoi du Message

acquittement

SMS CP-ack

SMS CP-ack

Libération

29

Transfert d’1 SMSvers 1 mobile

......

BTSMT MSC/VLR HLR SMS-GMSC

MAP Forward Short Message

SMS CP-data [RP-data]

SC

Transfert de Message

SMS CP-ack

Paging et réponse

MAP send routing info for SM

MAP send routing info for SM ack

Authentification et chiffrement

SMS CP-data [RP-ack]

SMS CP-ackMAP Forward Short Message ack

libération

Compte-rendu d’expédition MAP rapport délivrance

MAP rapport délivrance ack

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Transmission d’1 SMSsur SDCCH

......

BTSMT BSC

Allocation canal dédié

Authentification et chiffrement

MSCRR Channel Request Channel Required

SABM[CM Request Service] Establish Indication [CM Service Request]SCCP Connection Request [CM Service Request]

UA[CM Request Service]

SDCCH

SDCCH

SDCCH

SABM[SAPI=3]SDCCH

Establish Indication [SAPI=3]

UA[SAPI=3]SDCCH

SMS CP-DATA + ACK

SDCCH Clear CommandRR Channel Release

SDCCH Deactivate SACCHDISC[SAPI=0]

SDCCH Release IndicationUA[SAPI=0]

SDCCH RF Channel Release

RF Channel Release Ack Clear Complete