II LE SEGMENT RADIO:
0. INTRODUCTION:
L'une des contraintes primordiales des
systèmes radio mobiles est la faible consommation du spectre
hertzien.
Nous décrirons d'abord comment le système GSM utilise la
ressource radio: Le GSM est un système à accès multiple à
répartition dans le temps, travaillant sur des bande moyenne
(200 kHZ), à duplexage fréquentiel où plusieurs communications
simultanées peuvent être multiplexées sur un même couple de
fréquence.
Ensuite, nous définirons les différents canaux logiques
utilisés par GSM. En effet, dans un système radio mobile, le
lien entre le mobile et le réseau étant fluctuant, on utilise
plusieurs canaux logiques afin de rendre transparents le
déplacement du mobile et l'instabilité du canal radio.
Enfin, nous détaillerons la chaîne de transmission: codage de
la parole, contrôle des erreurs, entrelacement, chiffrement et
modulation.
1. PARTAGE EN FREQUENCE ET
EN TEMPS:
a) Partage en fréquence:
La bande allouée au système est séparée en 2 sous bandes
d'égales importances:
- Bande :890-915 MHz
- Bande :935-960 MHz
Ces 2 sous bandes sont séparées par un
intervalle fréquentiel qui n'est pas attribué au système afin
de faciliter le filtrage et la séparation des voies.
Chaque sous bande est divisée en canaux fréquentiels de 200
kHz. Un canal véhicule un signal modulé autour d'une fréquence
porteuse qui siège au centre de la bande. Ces fréquences sont
allouées de façon fixe aux différentes BTS; il faut veiller à
ce que 2 BTS voisines n'utilisent pas des porteuses proches.
Si la porteuse supportant la voie (d) est Fd alors la voie
montante est sur la fréquence Fu telle que: Fu=Fd-DWduplex avec
Wduplex=45 MHz
Les systèmes analogiques de 1ere génération (R2000) et la
norme CT2 (BiBop) sont des systèmes FDMA (Frequency Division
Multiple Access), c'est à dire que chaque porteuse est dédiée
à un seul utilisateur.
Le système GSM est différent: Chaque porteuse est divisée en
intervalles de temps (slots). Outre le partage en fréquence, on
a aussi un partage en temps (TDMA).
b) Partage en temps:
L'accès TDMA permet à 1 canal de supporter plusieurs
utilisateurs. Une trame TDMA est divisée en 8 intervalles de
temps appelés slots.
Chaque utilisateur dispose d'un slot par trame TDMA. La
répétition périodique d'un slot dans les trames sur une
fréquence particulière constitue en "canal physique".
Toutes les trames générées par la même BTS dans le sens
descendant sont synchronisées et les trames du sens montant ont
un retard de 3 slots par rapport aux descendantes. Cela permet
aux mobiles d'émettre et de recevoir sur le même slot sans
avoir à réaliser ces 2 actions simultanément.
Remarque: Il est possible de
n'allouer à un utilisateur qu'un slot toutes les 2 trames TDMA:
Half rate.
c) Compensation des temps
de propagation:
Soient 2 mobiles dans la même cellule mais ne se trouvant pas à
la même distance de la BTS. Si ces 2 mobiles utilisent des slots
consécutifs, il faut veiller à ce que les bursts qu'ils
envoient ne se chevauchent pas au niveau de la BTS.
Pour cela, on peut envisager 2 solutions:
- Sol.1: On augmente le time
guard: temps de silence entre la fin du burst et du slot.
- Sol.2: On compense en gérant
un paramètre TA (Time Advance) qui correspond au temps
de propagation allers-retour. Le mobile MS1 doit avancer
l'émission de chacun de ses slots de 2tp par
rapport à l'horloge slot telle qu'il la perçoit.
Pour des cellules de 35 km de diamètre, la
Sol.1 seule nécessiterait de prévoir des intervalles de garde
de 200 mS; soit plus du tiers du slot.
Le système compense le délai de propagation en gérant le
paramètre TA (Sol2.). Un intervalle de garde de 30 mS est
nécessaire pour les temps de montée en puissance des signaux a
émettre et pour couvrir une légère dérive possible du TA (le
TA est véhiculé par l'interface air; sa propagation peut donc
être perturbée).
d) Constitution d'un slot: Format des
burst
Chaque slot sert au transport d'un canal logique. Le burst est le
contenu physique du slot. L'information à transmettre est donc
découpée en bursts. On retrouve donc dans le système
différents types de bursts en fonction des différents types de
canaux logiques.
- Burst normal: Il structure le
transport des canaux de trafic TCH, de contrôle de
diffusion BCCH, de paging PCH, d'allocation de ressource
AGCH.
Il se compose de:
- 257 bits d'information.
- 21 bit de préemption. Ces
drapeaux permettent de distinguer la parole de la
signalisation; ainsi, on peut voler la ressource
radio au canal TCH pour transmettre de la
signalisation en mettant le drapeau à 1 (ex:
dans le cas d'un Hand Over).
- 26 bits pour la séquence
d'apprentissage. Cette séquence est fixée parmi
une des 8 spécifiées par la norme GSM. Elle
permet de synchroniser chaque burst. En outre,
grâce au code des couleurs BSIC (sur 6 bits)
qu'elle contient, elle permet aux BTS de filtrer
les bursts émis par un mobile hors de la cellule
mais accordé à la même fréquence.
- Burst de bourrage: Il présente
la même structure que le burst normal, à part qu'à la
place des données (257 bits), on a une séquence fixe ne
transportant pas d'information.
- Burst de correction de fréquence:
Il permet le transport des canaux FCCH pour synchroniser
le synthétiseur du MS sur la porteuse d'une BTS.
- Burst de synchronisation: Il
structure le transport des canaux SCH.
Il se compose de:
- 239 bits de donnés encodées.
- 19 bits pour le RFN: Numéro
réduit de trame.
- 6 bits pour le BSIC: afin de
discriminer plusieurs BTS peu éloignées ayant
les mêmes fréquences porteuses.
- 10 bits de CRC.
- 4 bits de traînées.
- 64 bits pour la séquence
étendue d'apprentissage. Elle permet au MS de
faire une analyse fine du canal et de se
synchroniser sur la trame TDMA de la BTS.
- Burst d'accès: Il structure le
transport des canaux RACH pour permettre au mobile de
signaler au réseau qu'il veut effectuer une opération
(localisation, appel...).
Ce burst est plus court que les autres car le MS ne
connaît pas le TA nécessaire (compensation de la durée
de propagation aller-retour entre mobile et BTS). Sa
période de garde de 252 mS lui permet de s'insérer
complètement dans un slot de la BTS sans chevaucher les
slots voisins.
Il se compose de:
- 41 bits pour la séquence de
synchronisation.
- 28 bits d'information.
- 26 bits pour la somme modulo 2
de CRC et code BSIC.
- 24 bits de traînée.
2. LES DIFFERENTS CANAUX
LOGIQUES:
Pour supporter les différentes fonctions
spécifiées par la norme, il faut prévoir plusieurs fonctions
de contrôle de nature et de niveau variés sur l'interface
radio. On peut distinguer ces canaux en 3 types:
a) Les canaux dédiés:
Ils fournissent une ressource réservée à un MS. Le mobile se
voit attribuer une paire de slots dans laquelle il est seul à
émettre et recevoir.
Remarque: Lorsque le canal alloué
est un SDCCH, comme ce dernier peut écouler tous les types de
signalisation, on n'introduit pas le FACCH.
b) Les canaux de diffusion:
Ils permettent à chaque mobile d'accrocher au système local en
acquérant les paramètres nécessaire.
- Canal de correction de fréquence
FCCH ( ):
Il permet de transmettre des informations au MS afin de
synchroniser son synthétiseur aux fréquence de travail
de la BTS dont il dépend.
Il est présent uniquement sur le slot 0 d'une trame TDMA
et est émis dans les trames 0, 10, 20, 30 et 40 d'une
multitrame 51, soit 20 fois/s.
- Canal de synchronisation SCH ( ):
Il permet au mobile d'identifier la BTS, de calculer le
numéro FN de trame dans l'hypertrame et de se
synchroniser sur la BTS.
Il est présent uniquement sur le slot 0 d'une trame
TDMA. Il est toujours situé après le burst FCCH.
- Canal de contrôle de diffusion
BCCH ( ):
Il permet la diffusion de donnés caractéristiques de la
cellule. Suivant la nécessité pour le mobile
d'acquérir avec rapidité ces information, elles sont
diffusées plus ou moins fréquemment.
Le BCCH contient des
informations déterminant les règles d'accès à la
cellule:
- Niveau minimal de signal
exigé.
- Numéro de zone de
localisation de cellule (LA); 2 diffusions/s.
- Paramètres RACH qui donnent
les règles d'accès aléatoire; 4 diffusions/s.
- Fréquences des BCCH voisins.
- Contrôle des puissances
d'émission des mobiles.
c) Les canaux de contrôle communs CCCH:
Ils sont réservés pour les opérations de gestion des
communications (établissement, allocation de canaux de trafic).
La norme GSM spécifie 3 canaux communs:
- Canal d'accès aléatoire RACCH (
):
Il permet au mobile de signaler au BTS qu'il désire
effectuer une opération sur le réseau.
- Canal de paging PCH ( ):
Il permet de diffuser l'identité d'un mobile. En effet,
lorsque l'infrastructure veut communiquer avec un MS
(appel, message court, authentification), elle diffuse
l'identité du mobile sur un ensemble de cellules.
Remarque: Il est possible d'appeler en diffusion
jusqu'à 4 mobiles dans le même message en utilisant
l'identité temporaire TMSI qui est plus courte que
l'IMSI.
- Canal d'allocation de ressource
AGCH ( ):
Il est utilisé pour l'allocation d'un canal dédié à
un mobile. Le message d'allocation contient la
description complète du canal de signalisation utilisé:
Numéro de porteuse et numéro de slot utilisé; il
contient également le paramètre TA.
- Canal de transmission radio à
partir d'une cellule CBCH ( ):
Il permet aux usagers présents dans la cellule des
informations spécifiques (informations routières,
météo).
d) Organisation des trames pour le
multiplexage des canaux logiques:
Quel que soit son état, un mobile travaille toujours avec
plusieurs canaux logiques. On pourrait utiliser un canal physique
pour chacune de ces taches. Ce serait gâcher de la ressource
radio; en effet, les différents canaux ne nécessitent pas un
débit comparable à celui de la parole codée.
Sur son canal physique, le mobile va donc trouver un multiplex de
canaux logiques correspondant à son activité.
-en veille: Ecoute de la BTS par les canaux FCCH+SCH+BCCH+CCCH
-en établissement d'un communication: Emission-Réception sur
les canaux SDCCH+SACCH
-en communication: Emission-Réception sur les canaux TCH+SACCH
ou FACCH
La norme GSM impose l'organisation du
transport des slots sous forme d'une structure à 4 niveaux
hiérarchiques de trames:
- La trame TDMA: 8 slots, TTDMA=4.615
ms
- La multitrame: de 2 types
possibles suivant le type de canaux à transporter:
Multitrame 26: 26 trames TDMA, TMULT26=120 ms
Elle sert au transport des canaux de trafic TCH et de
leurs canaux de contrôle SACCH et FACCH. Le slot 25
n'est pas utilisé, il sera utilisé par un canal SACCH
en half rate.
Multitrame 51: 51 trames TDMA ,TMULT51=235,365 ms
Elle sert au transport des autres canaux de contrôle:
Canaux de diffusion (FCCH, SCH, BCCH) et aux canaux
communs (RACH, PCH, AGCH, CBCH).
- La supertrame: 1326 trames
TDMA; TSUPERTRAME=6.12 s
Dans chaque trame TDMA, on peut trouver des slots qui
évoluent en multitrame 26 et d'autres en multitrames 51.
La structure de supertrame permet d'homogénéiser
l'organisation entre tous les slots d'une même trame
TDMA. La supertrame se compose de 26 multitrames 51 ou de
51 multitrames 26.
- L'hypertrame: 2048 supertrames;
THYPERTRAME=3h28min53s760ms
La structure d'hypertrame dure 20482651=2715648 trames
TDMA. Chaque trame TDMA est repérée par un compteur FN
dans l'hypertrame. Le compteur FN donne en quelques
sortes la base de temps propre de la BTS.
Remarque: L'utilisation des 2 types de multitrames 26
et 51 permet au MS de scruter les BCCH des BTS
avoisinantes.
Lorsqu'un mobile est en communication sur un canal TCH,
il transmet et reçoit sur un slot particulier de la
trame TDMA conformément à la structure de multitrame
26.
Le slot 25 n'est pas utilisé pour
l'émission-réception. Le MS utilise dons la durée
disponible pour observer les BCCH des BTS voisines.
Quelles que soient les synchronisations respectives, le
slot 0 se trouve toujours dans la fenêtre d'observation
du mobile.
En outre, les nombres 26 et 51 sont premiers entre eux:
la fenêtre d'observation va donc glisser par rapport à
la multitrame 51.
Un MS est donc capable de recevoir les canaux FCCH et SCH
des BTS voisines.
3. CHAINE DE TRANSMISSION:
Le synoptique traduisant les mécanismes mis en jeux pour
transmettre la parole est le suivant:
a) Numérisation de la parole:
La méthode utilisée dans le RNIS est la modulation par
impulsion et codage (MIC). Elle consiste en un quantification
logarithmique sur 8 bits d'échantillons prélevés à la
fréquence de 8 kHz. Un tel débit (64 kBits/s) est trop
important pour un canal radio où la bande est une ressource
rare.
Le GSM utilise le système RPE-LTP qui permet de réduire ce
débit d'un facteur 4.
Le signal de parole est modélisé comme un filtre linéaire dont
les paramètres évoluent dans le temps. En excitant ce filtre
par un signal comportant une succession d'impulsions, on obtient
le signal de parole en sortie.
Le codec de parole opère sur des trames de
parole de 20 ms sur la bande [300-3400 Hz] pour les transformer
en blocs de 260 bits (débit de 13 kBits/s).
Le synoptique du codec est le suivant:
Le filtre linéaire se décompose en 2
parties:
- La 1ère partie (LPC) prend en compte
les corrélations à court termes. Elle correspond à un
filtre numérique de transformée en Z égale à 1/P(z)
ou P(z) est un polynôme de degré 8.
- La 2nde partie (LTP) reproduit les
corrélations à long terme du signal de parole (qui ne
peuvent être pris en compte par la modélisation LPC).
Ce filtre est caractérisé par (1+bz-N),donc
par N (7 bits) et b (2 bits).
On échantillonne une trame de parole de 20
ms à 8 kHz; donc on obtient 160 échantillons codés
uniformément sur 13 bits. Après un pré traitement, le signal
est analysé afin d'extraire les coefficients du filtre LPC. Le
signal est ensuite séparé en 4 sous trames de 40 échantillons
pour subir l'analyse LTP. La prédiction "long terme"
est réajustée 4 fois plus souvent que la "court
terme". En effet, le filtre LTP sert à reproduire les
fréquences fondamentales de la voix (entre 60 et 200 Hz) qui
sont caractéristiques du locuteur.
La dernière phase du codage consiste à déterminer le signal
d'excitation nécessaire pour reproduire le signal vocal. Pour
chacune des 4 prédictions LTP, le signal d'excitation est formé
de 13 impulsions placées dans un sous bloc de 40 échantillons.
Seule 4 combinaisons (13 impulsions pour 40 échantillons) ont
été prévues. Donc 2 bits suffisent pour déterminer la
combinaison. On attribut 3 bits pour coder l'amplitude de chacune
des impulsions et une information de calibrage est fournie sur 6
bits. Soit un total de 447 bits pour le calcul du signal
d'excitation RPE.
b) Contrôle des erreurs:
Dans le cas de la transmission de la parole, le codec fournit 260
bits pour une trame de parole de 20 ms. On distingue ces bits en
3 classes suivant leur importance quant à la qualité de la
perception de la parole.
- Classe Ia: 50 bits; les plus sensibles
aux erreurs; il ne faut pas qu'ils soient mal
interprétés.
- Classe Ib: 132 bits; sensibles aux
erreurs.
- Classe II: 78 bits; les moins
sensibles aux erreurs.
- Répartition des bits de la classe
I:
Les 182 bits de la classe I sont réordonnés suivant les
bits pairs et impairs de façon à être codés
différemment lors du codage convolutionnel.
- Détection d'erreurs par code
cyclique:
Les 50 bits de la classe Ia sont protégés par un code
cyclique de 3 bits dont le polynôme générateur est:
g(X)=X3+X+1.
A un mot d'information U(X)=Ui.Xi, on
associe un mot R(X) qui est le reste de la division
polynomiale de X3.U(X) par g(X). Le mot codé est C(X)=X3.U(X)-R(X);
donc est un multiple de g(X).
Soit A(X) un mot émis, ce mot peut être perturbé par
un vecteur erreur e(X). Si le mot reçu B(X)=A(X)+e(X)
n'est pas un multiple de g(X) alors il n'est pas accepté
et on masque erreur en utilisant une version atténuée
de la trame précédente.
Les 50+3 bits résultants sont regroupés avec les 132
bits de classe Ib et 4 bits de traînés (0000 pour
purger le registre à décalage du codeur
convolutionnel). Ce sous bloc de 189 bits est soumis au
code convolutionnel.
- Encodage convolutionnel:
Ce type de codage permet d'abaisser le seuil du rapport
porteuse sur interférence à partir duquel une liaison
est de qualité acceptable.
Les caractéristiques du codage convolutionnel sont:
- Rendement 1/2. Les 189 bits
seront codés par 378 bits.
- Distance minimale entre les
mots égale à 7. Cela permet de corriger 3
erreurs ou 6 effacements.
- Les polynômes utilisés pour
le calcul des mots du code sont:
- G0(X)=X4+X3+1
pour les bits pairs.
- G1(X)=X4+X3+X+1
pour les bits impairs.
Le calcul des 2 bits codant 1 bit du mot
d'origine nécessite 4 registres (Cf Rappels sur les Codes
Convolutionnels en Annexes). De sorte à avoir la même
référence de calcul, les 4 bits de traîné introduits à
l'étape précédente sont placés en queue des 189 bits à
coder. Ces bits sont forcés à 0 afin de purger les registres du
codeur pour la prochaine séquence à coder.
c) Entrelacement:
Les erreurs ont souvent lieu par paquets; on va donc entrelacer
les bits à émettre. En effet, les bits sont mélangés par
paquet, puis par trames.
Les 456 symboles correspondant à une trame de parole de 20 ms
sont introduits lignes par lignes dans un tableau rectangulaire
578 puis lus colonnes par colonnes pour constituer un sous bloc:
il s'agit d'une permutation rectangulaire.
Chaque sous bloc est associé
avec un sous bloc de la trame précédente (pour les sous blocs
0, 1, 2 et 3) ou de la trame suivante (pour les sous blocs 4, 5,
6 et 7).
Enfin, à l'intérieur d'un burst, les deux
sous blocs provenant de trames de paroles différents sont
finement intercalés: Les bits pairs du burst vont correspondre
à la trame de parole la plus récente, et les bits impairs à la
trame de parole précédente.
d) Chiffrement:
Il consiste en un schéma classique en cryptologie ("ou
exclusifs" bit à bit à partir d'une séquence
pseudo-aléatoire).
L'algorithme A5 fournit, en fonction du numéro FN de trame dans
l'hypertrame et de la clé Kc, deux mots pseudo-aléatoires de
114 bits chacun (le drapeau de préemption n'est pas concerné).
Un mot est dédié à la liaison descendante, l'autre à la
liaison montante.
e) Modulation GMSK:
La transmission par l'interface radio a un débit de 270,8 Kbps.
Le signal numérique est modulé autour d'une porteuse en
utilisant la modulation GMSK (Gaussian Filtered Minimum Shift
Keying) avec un produit bande temps B.Tb=0.3.
Il s'agit d'une modulation de phase bit par bit de la porteuse
radio dans laquelle la valeur de la phase varie de manière
continue entre-Pi/2 et +Pi/2.
La norme définit les gabarits que le spectre du signal doit
respecter pour les différents matériels. Un exemple de gabarit
est donné figure 2.17.
Pour générer le signal GMSK, on peut
utiliser un modulateur de fréquence utilisant à un VCO
précédé d'un filtre gaussien.
La réponse impulsionnelle du filtre
reprend la forme d'une densité gaussienne:
h(t)=(2.Pi.L2)-1/2.exp(-t2/(2.L2)) où L/Tb=(ln2)1/2/2.Pi.B.Tb et B.Tb=0.3.
Pi:3.14
B: Bande à 3dB du filtre.
Tb:
Durée d'un bit.
En sortie du filtre, on obtient le signal résultant d'un
convolution: V=b*h.
En sortie du modulateur, on obtient:
S(t)=S0.cos{2f0.t+A(t)+A0) où A(t)=k0.Integrale[v(x).dx].
Le spectre de la modulation GMSK est donné
figure 2.18 et peut être mis en rapport avec le gabarit
représenté en figure 2.17.