Le protocole GSM |
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Ce dossier contient plusieurs pages : 1 - 2 - 3 Source : http://www.multimania.com/voutay/gsm/ , voutay@multimania.com
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L'onde radio dans le cas d'un réseau cellulaire est le lien entre l'abonné et l'infrastructure de l'opérateur. Comme dans tout réseau téléphonique l'échange de données doit se faire dans les deux sens. Ainsi contrairement à la radio FM classique, l'installation d'une antenne émettrice puissante par l'opérateur ne suffit pas à réaliser un réseau efficace. L'abonné doit aussi émettre: Si on appelle Pe la puissance d'émission d'un émetteur et Pr la puissance reçue par un récepteur à une distance d, les lois de la propagation des ondes nous disent que:
Cette contrainte impose donc que l'abonné et l'émetteur du réseau soient à proximité. De plus un opérateur n'a qu'une bande de fréquence réduite (bande passante) qui lui est allouée par l'UIT (Union Internationale des Télécommunications). Si on part du principe qu'un téléphone = une fréquence, l'ensemble des fréquences pour tout le réseau GSM français permettrait de satisfaire tout au plus un demi millier d'abonnés (capacité théorique du réseau) on en compte plus de treize millions. Il a donc fallu trouver des astuces pour ouvrir au plus grand nombre ces réseaux. Tout d'abord chaque terminal utilise lors d'une communication une fréquence variable qui lui est attribuée par l'opérateur en fonction des ressources disponibles. Mais cette seule astuce ne suffirait pas à satisfaire tous les abonnés dans les zones les plus denses. Prenons un exemple: à Lyon, il semblerait simple de placer un émetteur dans la tour métallique de Fourvière: sa position stratégique lui permettrait d'avoir un rayonnement important et de couvrir l'ensemble de l'agglomération Lyonnaise! Seulement il y aurait un problème, comme nous l'avons vu la quantité d'appel est limité: le nombre d'appel simultanément possible sur l'agglomération Lyonnaise serait insuffisant pour satisfaire les abonnés. C'est pourquoi on a introduit le concept de cellules. L'opérateur peut réutiliser une fréquence dans plusieurs endroits géographiques dans la mesure où il n'y a pas de risque d'interférences. Chaque zone couverte par un émetteur est appelé cellule. Leur taille est variable de 200 mètres à 20 kilomètres pour les plus grandes. Deux cellules mitoyennes ne peuvent utiliser deux fréquences similaires à cause des interférences. L'opérateur gère ainsi la bande passante qui lui a été alloué par l'état de cellule en cellule. Plus la taille d'une cellule est petite, plus la quantité d'appels passées sur le réseau pour une surface donnée est grande. On modélise les cellules par des hexagones, ce qui permet de bien visualiser les contacts avec les cellules voisines et donc de limiter les risques d'interférences.
Si chaque cellule peut accepter 40 communications en simultané (ce qui équivaut à environ 1000 abonnés), 300 cellules permettent de gérer un parc de 200 000 abonnés. La présence d'un grand nombre de cellules liées à la mobilité de l'utilisateur implique une des fonctionnalités les plus révolutionnaires du GSM: le "handover": c'est à dire la capacité pour un terminal de changer de cellule et donc de relais de manière tout à fait transparente (sans coupure de la communication). De plus, le réseau GSM est normalisé au niveau européen, ce qui permet à un abonné de téléphoner hors de son pays (on les appelle "roamers"). Les accords entre les opérateurs de pays différents permettent d'offrir un service mondial sans changer ni son abonnement, ni son terminal. Par exemple SFR propose de téléphoner dans plus de 67 pays grâce à l'option "transcontinent". Un réseau de radiotéléphonie peut se découper en trois sous-ensembles:
Sous-système radio (BSS) Le sous-système radio est l'ensemble des constituants du réseau qui gère l'échange et la transmission des données par la voie hertzienne. Le sous-système radio est principalement constitué de deux éléments: la station de base et le contrôleur de station. Station de base (BTS) La répartition géographique et le type de BTS utilisées jouent un rôle primordial pour évaluer la qualité d'un réseau. La capacité maximale d'une BTS est de 16 porteuses, c'est à dire qu'elle peut supporter au plus une centaine de communications simultanées. Une configuration en zone urbaine est constituée d'une BTS à 4 porteuses pouvant écouler environ 28 communications. Comme nous l'avons vu plus haut la bande passante allouée à un opérateur est limitée. C'est pourquoi il doit réduire au minimum la puissance de ses BTS en ville de manière à ce qu'elles couvrent une zone la plus restreinte possible. Mais cela entraîne évidemment une multiplication importante des coûts: une BTS coûte en moyenne 2 000 000 F! Ainsi, la rue Mercière à Lyon, très fréquentée, doit faire l'objet d'une couverture d'une densité exceptionnelle (une BTS couvre 250m de la rue). En revanche des zones peu peuplées telles que la Lozère auront des BTS couvrant une zone d'un rayon de 20kms (si BTS il y a, car ce ne sont pas des zones rentables pour un opérateur). La couverture doit aussi prévoir les migrations saisonnières: prenons l'exemple de Val d'Isère (Savoie France). Entre la période creuse du mois de novembre où seuls les habitants permanents utilisent le réseau, et la période chargée du mois de février où s'ajoutent les saisonniers et les vacanciers le trafic est multiplié par 20! Il faut donc installer un réseau supportant la charge maximale. Dans le cas de Val d'Isère le problème se complique à cause des roamers. L'opérateur d'un site doit donc prendre en compte de multiples facteurs considérant prioritairement la qualité du service pour effectuer la couverture d'un site. En décembre 97, 85% des communications transmises depuis les BTS de Val d'Isère du réseau SFR, ont été passés par des abonnés issus d'un réseau étranger. Ce phénomène est essentiellement du au Critérium de la première neige (course de ski internationale importante). Le problème se complique particulièrement lors de grands événements en particulier sportifs: le début de l'été dernier a été sans doute la période la plus difficile que les opérateurs de téléphone mobile aient connu en France. La Coupe du monde de football a drainé une très grande quantité de touristes, de journalistes, de sportifs utilisant abondamment les réseaux GSM. Lors des matches, l'ensemble des BTS couvrant les stades était saturé, les BTS des grandes villes Françaises et en particulier de Paris étaient constamment surchargées malgré les importants investissements consentis par les opérateurs pour cet évènement! Une règle d'or dans le domaine GSM: les prévisions sont toujours sous-estimées. De plus la croissance des réseaux en terme d'abonnés (au premier trimestre 1999, il y a eu 1,3 million d'abonnés supplémentaires en France tous opérateurs confondus) impose une continuelle remise à niveau des BTS. La plupart du temps, les opérateurs choisissent d'augmenter la densité les BTS en réduisant leur portée: ce choix impose le redéploiement du réseau déjà existant. La variation du trafic au cours de la journée complique encore les études d'implantation des BTS. Le nombre d'abonnés qu'un opérateur peut supporter dépend du nombre de BTS. Mais, si un abonné est à proximité d'une BTS sans utiliser son téléphone, il n'utilise pas la bande passante de la BTS: le problème est de savoir combien d'abonnés une BTS peut avoir à proximité en offrant toujours la possibilité d'entamer une conversation. On introduit alors la notion d'erlang: l'unité de trafic appelée erlang correspond à 1 heure de communication. Par exemple, si un abonné a passé 3 communications d'une durée moyenne de 2 minutes pendant l'heure chargée, l'intensité du trafic généré par l'abonné sur une BTS est de:
Dans le cas des réseaux GSM, le trafic moyen par abonné est d'environ 0,025 erlangs. Les modèles d'erlang cherchent à être
représentatifs des appels qu'une BTS subit tout au long d'une
journée. Mais plus la recherche est poussée loin,
plus les modèles sont complexes et leur maniement difficiles.
En admettant que lorsqu'une BTS est saturée, l'appel est
rejeté, en supposant que les tentatives d'appels arrivent
suivant une loi de Poisson sur la BTS, on peut évaluer la
quantité d'abonnés qu'une BTS peut supporter de la
manière suivante:
La probabilité de l'état saturé et donc de rejet sera donc:
Cette formule nous montre donc que la probabilité
de rejet n'est pas une fonction linéaire du nombre de canaux
de communications disponibles. L'étude préalable et
la détermination de l et m pour un site donné permet
donc de déterminer le nombre de canaux nécessaires
pour une BTS. Plus Pr est petit, meilleure sera la performance du
réseau et donc la satisfaction du client. Différents types stations de base Il existe différents types de BTS proposés pour répondre aux différents besoins étudiés ci-dessus. Le réseau SFR en compte plus de 6 000 en France. Ces stations sont conçues par différents constructeurs qui respectent strictement la norme GSM de manière à ce que le matériel de différents constructeurs puisse être compatible. Les BTS sont de puissance variable de manière à éviter les interférences entre deux cellules: comme nous le verrons, il est important de réguler la puissance du portable de manière à éviter ces mêmes interférences.
Elles sont idéales pour couvrir les sites où
la densité d'abonnés est faible. Elles sont situées
sur des points stratégiques (sommets, pylônes…). Ces
stations émettent dans toutes les directions: ce sont les
stations les plus visibles. Elles couvrent des macrocellules. On
en trouve en abondance au bord des autoroutes. Ces BTS ne peuvent
pas être utilisées dans les zones de forte densité
car elles émettent et occupent la bande passante du réseau
sur une grande distance (jusqu'à 20 kms).
Elles sont le plus souvent placées dans des zones à plus forte densité d'abonnés que les BTS rayonnantes. On les retrouve en ville par exemple. Elles sont de forme relativement allongée et permettent d'émettre suivant un angle très précis: on peut grâce à cela réutiliser facilement le même canal dans une autre cellule à proximité.
Elles couvrent des zones très restreintes et sont très utilisées dans les sites où la densité d'abonnés est importante: ce sont les microcellules. On retrouve ce type de couverture dans la rue Mercière à Lyon. Leur grande discrétion permet de les installer dans les périmètres autour des centres villes. Une bonne étude d'implantation permet avec ce type de BTS de créer une couverture à deux niveaux: sur un premier niveau, les micro-BTS couvrent les 3 premiers mètres grâce à des émetteurs très ciblés. Un second niveau (étage plus élevé des immeubles) sera couvert par des BTS ciblées.
Ce ne sont pas des BTS proprement dites mais ils permettent de couvrir une autre cellule comme le ferait une véritable BTS. Les amplificateurs de signal captent le signal émis par les BTS, l'amplifient et le réemettent d'un autre sit. Ils permettent de couvrir une cellule à moindre coût. De plus, ces amplificateurs ne nécessitent aucune connexion vers les BSC, ils peuvent donc être placés sans contraintes physiques (sommet isolé de tous réseaux électriques et télécoms). Idéals pour couvrir les zones à faible densité ou à relief difficile, ils sont néanmoins très gourmands en ressource réseau, car la BTS mère doit gérer tout le trafic des réémetteurs.
Contrôleur de base (BSC)
Il gère et prend la décision de l'exécution du handover. De plus c'est un commutateur qui réalise une concentration vers le MSC. Initialement, les différents constructeurs d'infrastructures réseaux n'ont pas eu la même approche concernant la BSC. Certains ont conçu des BSC de faible capacité estimant préférable de multiplier leur nombre pour minimiser les distances BTS-MSC et donc réduire les coûts d'exploitation des opérateurs. En effet ces liaisons s'effectuent la plupart du temps par le réseau téléphonique classique, les opérateurs sont obligés de louer à l'opérateur national ces capillaires. Ainsi SFR fait transiter ces communications par le réseau de France Télécom et doit donc reverser à cette entreprise une partie de son chiffre d'affaire. D'autres ont une autre approche convenant aux zones urbaines où la forte densité par unité de surface nécessite des BSC capabls d'écouler un trafic plus important. La couverture de Lyon nécessite 4 BSC d'un coût moyen de 5 000 000 Fr. On en retrouve environ 500 en France pour la couverture du réseau SFR. Plusieurs dispositions entre BTS et BSC sont possibles: chaînée, en étoile…
Sous-système réseau Base de données Les bases de données sont les éléments qui gèrent les données propres aux abonnés (caractéristiques, facturation des appels, messagerie, sécurité…). Elles ont une fonction clef et sont la partie la plus sensible et donc la mieux protégée du réseau.
Le HLR ou enregistreur de localisation nominal est la
base de données qui gère les abonnés d'un opérateur
donné. Il mémorise les caractéristiques suivantes:
Ces données sont saisies par l'opérateur à partir de son système d'administration. Elles varient peu dans le temps. D'autre part, le HLR est une base de données de localisation. Il mémorise pour chaque abonné le numéro du VLR où il est enregistré, même dans le cas où l'abonné se connecte sur un opérateur étranger (cas des roamers). Cette localisation est effectuée à partir des informations émises par le terminal et reçue par les BTS à travers le réseau. L'implantation du HLR peut être centralisée ou décentralisée. Dans le premier cas, un HLR peut gérer plusieurs centaines de milliers d'abonnés et il constitue une machine spécifique. Dans le deuxième cas, il peut être intégré dans les MSC et les données d'un abonné sont alors physiquement stockées sur le MSC où l'utilisateur communique préférentiellement. Les échanges de signalisation sont ainsi minimisés. Dans tous les cas d'implantation, à chaque abonné est associé un HLR unique, de façon indépendante de la localisation momentanée de cet abonné. Le réseau identifie le HLR à partir du numéro d'appel.
Le centre d'authentification AuC, Authentication Centre,
mémorise pour chaque abonné une clé secrète
utilisée pour authentifier les demandes de services et pour
chiffrer les communications. Un AuC est en général
associé à chaque HLR. L'ensemble peut être intégré
dans un même équipement. Cependant, du point de vue
fonctionnel, ils ne font pas partie du même sous-système.
Commutateur de services mobiles (MSC-VLR) On distingue deux types d'appels au niveau d'un MSC: Le MSC est en général couplé avec le VLR (Visitor Location Register), ou enregistreur de localisation visiteur C'est une base de données qui mémorise les informaions aux abonnés présents dans la zone géographique du MSC. Plusieurs MSC peuvent être reliés au même VLR, mais en général, il y en a un seul par VLR. Les données mémorisées par le VLR sont similaires aux données du HLR, mais concernent seulement les abonnés mobiles présents dans la zone considérée. Vient se rajouter l'identité temporaire TMSI. Le VLR a une information de localisation plus précise que le HLR. La séparation matérielle entre VLR et MSC proposée par la norme n'est que rarement respectée. Certains constructeurs intègrent le VLR dans le MSC. Les dialogues nécessaires pour l'établissement d'appel sont alors simplifiés. D'autres établissent un découpage différent entre MSC et VLR en utilisant l'approche “ réseau intelligent ” (cf. glossaire). Le MSC est alors un commutateur pur sans fonction de traitement d'appel. Un équipement, le RCP (Radio Control Point), assure les fonctions de commande du MSC et du VLR sans posséder de fonction de commutation. Un ensemble MSC/VLR peut gérer plusieurs dizaines
de milliers d'abonnés pour un trafic moyen par abonné
de 0,025 Erlang. Les MSC sont en général des commutateurs
de transit du réseau téléphonique sur lesquels
ont été implantées des fonctions spécifiques
au réseau GSM. La capacité en est fortement réduite,
puisqu'un central téléphonique peut gérer plusieurs
centaines de milliers d'abonnés. En effet à l'établissement
des communications s'ajoutent les fonctions de répondeur,
de connexion à des réseaux numériques (Internet,
messagerie électronique), de contrôle des messages
courts SMS… Interfaces réseau Les interfaces sont des protocoles permettant de communiquer entre chaque structure du réseau GSM. Elles sont un élément essentiel définit dans la norme GSM car ce sont ces interfaces qui déterminent les interconnexions réseaux au niveau international. Voici le tableau présentant les interfaces dans un système GSM:
L'interface à respecter de façon impérative
est l'interface D car elle permet à un MSC/VLR de dialoguer
avec le HLR de tout autre réseau étranger. Sa conformité
permet l'itinérance internationale. De même le respect
de l'interface A permet aux opérateurs d'avoir différents
fournisseurs et de pouvoir changer au fur et à mesure du
déploiement de leurs réseaux. ©VOUTAY-DULONG DE ROSNAY
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