I ARCHITECTURE DU RESEAU:

1. ARCHITECTURE FONCTIONNELLE:

Le GSM est un système de radiotéléphonie numérique flexible et évolutif composé d'entités fonctionnelles regroupées en sous systèmes définis dans le recommandation:

• le sous système radio BSS (Base Station Sub System).
• le sous système réseau NSS (Network Sub System).
• le sous système d'exploitation et de maintenance OSS (Operations Support System).
  

a) Le sous système radio BSS:

Il assure les transmissions radioélectriques et gère la ressource radio. Ils est constitué de:

• stations mobiles MS permettant aux abonnés d'accéder aux services de télécommunication.
• stations de bases BTS assurant le lien radioélectrique avec les MS.
• contrôleurs de stations de bases BSC qui gèrent les BTS et assurent la fonction de concentration du trafic.
• transcodeurs 13-64 kbits/s TRAU pour adapter le codage de la voix sur l'interface radio (13 kbits/s) aux circuits de parole (64 kbits/s) du réseau fixe.
  

• La station mobile MS: Le terme station mobile désigne un équipement terminal muni d'une carte SIM, qui permet d'accéder aux services de télécommunication d'un PLMN GSM. Chaque terminal est muni d'une identité particulière: IMEI. La norme définit pour les terminaux plusieurs classes suivant leur puissance maximale d'émission.
  

Figure 1.2

Cependant chaque cellule radio du réseau gère un niveau maximal de puissance auquel il autorise le MS à émettre.
Outre les fonctionnalités traditionnellement implémentées dans le mobile, la MS assure les fonctions suivantes:

• protection des abonnements par réponse à la procédure d'authentification (triplet).
• mesure des signaux émis par les cellules environnantes (permettant le Hand over).
• conversion analogique/numérique de la parole.
• protection et qualité de la transmission radio.
• multiplexage à répartition dans le temps: insertion et prélèvement des bursts de la communication sur les trames TDMA.
  
  

• La station de base BTS:
  La BTS est un ensemble d'émetteurs-recepteurs (TRX). Elle a la charge de la transmission radio (modulation, démodulation, égalisation, codage correcteur d'erreurs, multiplexage TDMA, chiffrement).
  Elle réalise aussi les mesures de puissance d'émission des MS. Ces mesures servent à réguler la puissance d'émission des mobiles; elles sont transmises au BSC pour être exploité.
  La BTS gère la couche liaison de données pour l'échange de signalisation entre les mobiles et l'infrastructure (LADPm).
  Enfin, elle gère la liaison de données avec le BSC afin d'assurer la fiabilité du dialogue (LAPD).
  La norme GSM distingue les "BTS normales" des "micro BTS".

BTS normales: Elles sont utilisées dans les zones rurales et peuvent êtres restreintes à la gestion d'une seule porteuse (jusqu'à 7 communications simultanées). Elles correspondent aux stations de base classique des systèmes cellulaires avec des équipements installés dans des locaux techniques et des antennes en hauteur reliées par des feeders.
La norme spécifie la sensibilité et les puissances maximales des TRX :

Figure 1.3

Micro BTS: Elles sont prévues pour assurer la couverture de zones urbaines denses à l'aide de microcellules. Ce sont des équipements de faible taille et qui peuvent être monte à l'extérieur.
La norme propose des puissances faibles pour avoir des portées limitées.

Figure 1.4

Selon les environnements, un site comprend une seule BTS: configuration omnidirectionnelle (fréquente en zone rurale) ou plusieurs: configuration sectorisée (en zone urbaine et sur les autoroutes).

Remarque: Fin 94, Paris intra-muros est couverte par un peu plus de 100 BTS desservant chacune environ 1 km2.

• Le contrôleur de station de base BSC:
  Il est l'organe intelligent du BSS:
  • il gère les stations de bases: allocation et gestion des ressources radio, reconfiguration des BTS en cas de nécessité en mettant à jour les paramètres système.
  • il exécute des procédures de maintien des communications: traitement des mesures effectuées par MS et BTS pour contrôler leurs puissances d'émission, décision de l'exécution des Hand Over.
  • il réalise une concentration des circuits vers le MSC. Ces capacités sont comprises entre 100 et 900 Erlang.

  Remarque: Pour Paris intra-muros, un dizaine de BSC sont nécessaires.
  

• Les transcodeurs 13 - 64 kbits/s TRAU:
  Sur l'interface radio, la voix est codée sur 13 kbits/s. Or, le réseau fixe gère des circuits de parole de 64 kbits/s. Il faut donc réaliser dans le réseau un transcodage 13-64 kbits/s. La norme n'impose pas d'implanter les transcodeurs en un endroit précis, mais les place forcément dans le BSS.
  Or, pour économiser des circuits de parole, il est logique de transcoder le plus tard possible, c'est à dire le plus près possible du MSC. Aussi, les transcodeurs sont généralement placés physiquement à coté du MSC, mais font fonctionnellement partie du BSC. Cela permet de transporter 4 communications codées à 16 kbits/s (on complète les 13 kbits/s par des bits de cadrage et de bourrage) sur une voie MIC à 64 kbits/s.
  
  

b) Le sous système réseau NSS:
Avant l'établissement d'une communication vers le mobile demandé, il faut déterminer le routage à effectuer (roaming). Le sous système radio regroupe toutes les fonctions de routage et de communication. Il est constitué:

• du centre de communication du service mobile MSC qui assure l'interfonctionnement du système cellulaire avec le réseau de télécommunication commuté public RTCP.
• de l'enregistreur de localisation d'accueil associé VLR qui mémorise les données des abonnés présents dans la zone géographique considérée.
• de l'enregistreur de localisation nominal HLR qui contient les données de référence propre à chaque abonné.
• du centre d'authentification AUC qui génère et stocke les paramètres d'authentification pour l'identification de l'abonné.
• l'enregistreur des identités des équipements EIR qui contient les identités des terminaux (IMEI).
  

• Le centre de commutation du service mobile MSC:
  C'est l'élément central du NSS:
  • il gère l'établissement des communications entre un mobile et un autre MSC.
  • il dialogue avec les autres entités du NSS pour répondre aux spécificités imposées par le caractère mobile des abonnés: authentification, localisation, paging, hand over.
  • il sert de passerelle (Gateway MSC). Pour accéder au réseau GSM à partir du RTCP, c'est le MSC le plus proche de l'appelant qui achemine l'appel.
    

• L'enregistreur de localisation des visiteurs:
  Les fonctions du MSC et du VLR, définies dans les recommandations GSM sont intimement liées. C'est pourquoi on associe souvent à chaque MSC son VLR.
  Le VLR est donc une base de données associée à un MSC. Les données mémorisées par le VLR sont similaires aux données du HLR mais ne concernent que les abonnés mobiles présents dans le secteur considéré.
  A ces données s'ajoutent l'identité temporaire TMSI de l'abonné et sa zone de localisation LA.
  Enfin, le VLR est le composant fonctionnel qui alloue les numéros de réacheminement MSRN (qu'il transmet sur demande au HLR par l'interface D).
  

• L'enregistreur de localisation nominal HLR:
  Généralement, chaque opérateur GSM a un nombre très limité de HLR (2 pour un opérateur francais par exemple). L'enregistreur de localisation nominal contient les caractéristiques de chaque abonné:
  • identité internationale de l'abonné: IMSI.
  • numéro d'annuaire de l'abonné: MSIDN.
  • profil de l'abonnement (services souscrits).

  
  En outre, le HLR permet de localiser grossièrement chaque abonné; en effet, il mémorise pour chacun le numéro du VLR ou il est inscrit.
  

• Le centre d'authentification AUC:
  Il mémorise pour chaque abonné une clé secrète pour authentifier les demandes de service et pour le chiffrement des communications.
  En général, un AUC est associé à chaque HLR.
  

• L'enregistreur des identités des équipements EIR:
  C'est une base de données qui contient les identités des terminaux (IMEI). Elle peut contenir une liste noire des équipements volés et en interdire l'accès. Le réseau peut mémoriser l'identité IMSI d'un abonné utilisant un terminal inscrit en liste noire et la transférer au système d'administration pour permettre d'identifier les accès frauduleux.
  
  

c) Le sous système d'exploitation et de maintenance OSS:

Il permet à l'exploitant d'administrer son réseau. La diversité des équipements présents dans un réseau GSM pousse à adopter une approche structurés et hiérarchique. La norme présente 2 niveaux:

• Les centres d'exploitation et de maintenance OMC:
  Ils permettent une supervision locale des équipements. Les incidents mineurs sont transmis aux OMC qui les filtrent.

• Le Centre de gestion du réseau NMC:
  Il permet d'administrer de façon générale l'ensemble du réseau par un contrôle centralisé.
  
  
  

2. PRESENTATION DES INTERFACES DANS LE RESEAU:

a) Interfaces entre les entités du réseau:

Chaque interface est totalement spécifiée par la norme.

Remarque: L'interface D est à respecter de façon impérative car elle doit permettre à un MSC de dialoguer avec tout HLR d'un autre réseau pour assurer le roaming national et international.

Figure 1.6

b) Découpage des fonctions en couches dans le réseau GSM:
La recommandation GSM établi un découpage des fonctions pour les répartir sur les différents équipements. Aussi, un découpage en couches suivant le modèle OSI a été envisagé. La philosophie des couches OSI a été respectée, même si l'on ne retrouve pas les 7 couches classiques.

Seules les 3 couches basses sont présentes:

• la couche 1: C'est la couche physique; elle défini l'ensemble des moyens physiques de transmission et de réception de l'information.
  
• la couche 2: C'est la couche liaison. Elle a pour objet de fiabiliser la transmission entre 2 équipements par un protocole.
  
• la couche 3: C'est la couche réseau. Elle établit, maintient et libère les circuits commutés. Elle se divise en 3 sous couches:
  • la sous couche RR: Elle intègre l'ensemble des aspects purement radio. Elle gère l'établissement, la maintenance et la libération des différents canaux logiques.
    La connexion RR s'établit entre MS et BSC.
    
  • la sous couche MM: Elle permet de gérer le caractère mobile de l'abonné. Cette sous couche prend en charge la localisation, l'authentification et l'allocation du TMSI.
    La connexion MM s'établit entre MS et MSC.
    
  • la sous couche CM: Elle gère les connexions entre MS et MSC. Elle est scindée en 3 parties:
    • CC (Call Control): gestion de connexion circuits.
    • SMS (Short Message Service): transmission et réception de messages courts.
    • SS (Supplementary Service): gestion des services supplémentaires. La connexion CM s'établit entre MS et MSC.

c) L'interface UM:

• Couche physique: Sur l'interface radio, cette couche est très compliquée; en effet, il faut accomplir de nombreuses opérations: codage correcteur d'erreur, multiplexage des canaux logiques, mesure à effectuer. Les détails concernant l'interface radio sont donnés traités dans la partie II.
  
• Couche liaison: Elle se base sur le protocole LAPDm (m pour mobile). Le LAPDm est l'adaptation du LAPD pour l'interface radio. Le LAPDm est semblable au LAPD mis à part qu'il n'introduit pas d'acquittement pour les messages des canaux logiques unidirectionnels (BCCH, PCH, AGCH).
  
• Couche réseau: Sur l'interface Um, on ne retrouve que la sous couche RR (gestion de la ressource radio). En effet, les sous couches MM et CM s'établissent entre MS et MSC. Les messages MM et CM traversent l'interface Um de façon transparente en s'intégrant à la sous couche RR.
  
  

d) L'interface Abis:

• Couche physique: L'interface Abis comporte 2 types de canaux: les canaux de trafic et les canaux de signalisation. Les canaux de trafic véhiculent les informations émises sur les canaux TCH (voix ou données utilisateurs). Les canaux de signalisation transitent les dialogues entre MS-BSC, MS-MSC, BSC-BTS.
  
• Couche liaison: Elle repose sur le protocole LAPD. Le LAPD est un protocole qui comporte un mécanisme d'acquittement et de retransmission
  
• Couche réseau: Comme pour l'interface Um, on ne retrouve pas explicitement les sous couches MM et CM. Ces messages traversent l'interface Abis de façon transparente. Les messages de supervision, de maintenance et de gestion entre BTS et BSC sont gérés par la couche BTSM (BTS Management).
  
  

e) L'interface A:
L'interface A véhicule le trafic des usages du réseau ainsi que la signalisation entre NSS et BSS. L'interface A est basée sur le protocole sémaphore N° 7 du CCITT.
Ce protocole est divisé en 2 sous ensembles:

• MTP: sous système de transfert de message qui se compose de 3 niveaux.
• SCCP: sous système de connexion sémaphore.

Les couches de niveau supérieures sont occupées par les couches applicatives du BSSAP qui se subdivise en:

• BSSMAP: BSS sous système radio mobile qui fournit au BSS les informations dont il a besoin pour accomplir ses taches.
• DTAP: sous système de transfert direct qui permet le dialogue entre MS et MSC: messages MM et CM.
  
  

f) Les interfaces dans le NSS:
Ces interfaces permettent la communication entre les commutateurs et les bases de données afin d'assurer la mobilité des abonnés à l'intérieur du réseau. Elles s'appuient sur le protocole sémaphore N°7 du CCITT. On retrouve donc les couches MTP et SCCP sur lesquelles viennent s'implanter les couches TCAP et MAP.