GSM Protocoles et Procédures

1. SYSTÈME GSM PROTOCOLES & PROCEDURES 1 Réalisé par: Proposé par: Anouar Loukili M. M. R. Britel Anas Bennani

2. PLAN INTRODUCTION ARCHITECTURE PROTOCOLES PROCEDURES CONCLUSION 2

3. Architecture 3

4. Architecture Le réseau de radiotéléphonie utilise d’une part le réseau téléphonique classique ainsi que la liaison radio. On peut diviser cet accès radio en trois sous-ensembles que sont : Le sous-système radio BSS Le sous-système d’acheminement NSS Le sous-système d’exploitation et de maintenance OSS 4

5. Architecture : BSS Le sous-système radio ou BSS. Ce système assure les transmissions radioélectriques et gère la ressource radio. Il prend aussi en charge la transmission adapté au canal radio, l’allocation des canaux et décide des Handover. 5

6. Architecture : BSS Le système BSS est composé de plusieurs éléments : Les BTS (Base Transceiver Station). Ils prennent en charge la modulation et la démodulation, le chiffrement, la mise en trame et en paquets élémentaires radio, le codage correcteur d’erreur. Ils vérifient aussi le bon déroulement des contacts radios en prenant des mesures régulières qu’ils transmettent aux BSC. La BTS contrôle la couche liaison de données pour l’échange de signalisation entre les mobiles et l’infrastructure (protocole LAP D). Ils sont reliés aux BSC en chaîne ou bien en étoile. Les BSC (Base Station Controler). Ils contrôlent un ensemble de BTS et permettent en fait une concentration de circuits. C’est véritablement l’organe intelligent du BSS. Ils prennent les décisions résultant des mesures effectuées par le BTS. Concrètement, ils commandent l’allocation des canaux, gèrent les Handover, contrôlent les puissances des mobiles et des BTS. La capacité des BSC dépend du trafic à écouler. 6

7. 7

8. Architecture : NSS Le sous-système d’acheminement NSS (Network Sub-System). Ce sous-système représente le réseau fixe qui comprend l’ensemble des fonctions nécessaires à l’établissement des appels et à la gestion de la mobilité. Il gère donc l’itinérance. L’itinérance est définie par la possibilité d’utiliser un terminal de télécommunication en un point quelconque en s’identifiant grâce à un code confidentiel par exemple. Il s’agit donc pour le réseau de mémoriser la localisation de l’abonné et ensuite d’être capable d’acheminer les appels qui lui sont destinés. Un tel réseau n’offre par contre pas la possibilité de couper la conversation pour changer de ligne par exemple. On parle en effet dans ce cas de Handover, administré par les BSS. 8

9. Architecture : NSS Le NSS est composé là encore de plusieurs éléments: Les MSC (Mobile-services Switching Centre). Ce sont des commutateurs mobiles. Ils gèrent l’établissement des communications entre un mobile et un autre MSC, ainsi que l’exécution éventuelle des Handover. Les VLR (Visitor Location Register). Ce sont les bases de données qui gèrent la mobilité des usagers : vérification des caractéristiques d’un abonné, transfert d’informations de localisation… Il contient toutes les données des abonnés mobiles présents dans une zone géographique. Le HLR (Home Location Register). Le HLR est une base de données de localitsation et de caractérisation des abonnés d’un réseau public de mobiles. Il enregistre en effet l’identité internationale de l’abonné par le réseau, cette identité se nomme IMSI (International Mobile SubscriberIdentity). Il enregistre aussi le numéro d’annuaire de l’abonné, le profil de l’abonnement, à savoir tous les services supplémentaires auxquels l’abonné a souscrit. 9

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11. Architecture : OSS Le sous-système d’exploitation et de maintenance OSS (OperationSubscriber System). Il assure la gestion et la supervision du réseau. C'est la fonction dont l'implémentation est laissée avec le plus de liberté dans la norme GSM. La supervision du réseau intervient à de nombreux niveaux : » Détection de pannes. » Mise en service de sites. » Modification de paramétrage. » Réalisation de statistiques. Dans les OMC (Operation and Maintenance Center), on distingue l'OMC/R (Radio) qui est relié à toutes les entités du BSS, à travers les BSC, l'OMC/S (System) qui est relié au sous système NSS à travers les MSC. Enfin l'OMC/M (Maintenance) contrôle l'OMC/R et l'OMC/S. 11

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13. Architecture : Les interfaces L’interface Um C’est l’interface entre les deux sous systèmes MS (Mobile Station) et le BSS (Base Station Sub-system. On la nomme couramment « interface radio » ou « interface air ». L’interface Abis C’est l’interface entre les deux composants du sous système BSS : la BTS (Base Station Transceiver) et le BSC (Base Station Controler). L’interface A C’est l’interface entre les deux sous systèmes BSS (Base Station SubSystem) et le NSS (Network SubSystem). 13

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15. Protocoles 15

16. Overview : Le modèle en couche de l’architecture GSM intègre et lie les communications peer-to-peer entre deux systèmes différents. La couche inférieure satisfait les services des protocoles des couches supérieures. Les notifications sont passés d’une couche à une autre pour assurer que l’information est proprement formée, transmise et reçue. 16

17. Pile des Protocoles de Signalisation: 17

18. Couche L1 (Couche Physique) Définit l’ensemble des moyens de transmission et de réception physiques de l’information. Sur l’interface Abis, la transmission est numérique, le plus souvent sur des voies 64 kbps. Sur l’interface radio, elle est plus complexe du fait des opérations à effectuer : codage correcteur d’erreurs, multiplexage des canaux logiques, mesures radio… 18

19. Couche L2 (Liaison de données) A pour objet de fiabiliser la transmission entre deux équipements par un protocole. Les protocoles adoptés comportent un mécanisme d’acquittement et de retransmission (ARQ , AutomaticRepeatRequest). La liaison entre la BTS et la BSC est gérée par le LAPD utilisé dans le RNIS. Entre la MS et la BTS on utilise une version modifiée du LAPD : le LAPDm 19

20. Couche L2 : Protocole LAPD Le LAPD (Link Access Protocol - Canal D) est un protocole de couche 2, qui est défini dans CCITT Q.920/921. LAPD travaille dans le AsynchronousBalanced Mode (ABM). Ce mode est totalement équilibré (c'est-à-dire, pas de relation master / slave). Chaque station peut initialiser, contrôler, corriger les erreurs, et envoyer des trames à tout moment. Le protocole traite la DTE et la DCE d'égal à égal. 20

21. Couche L2 : Protocole LAPDm LAPDm est l'adaptation du LAPD pour l'interface radio. 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). 21

22. Interface Um 22

23. Interface Um ❑ Interface définie entre la BTS et la BSC. Protocoles MS: Les protocoles de signalisation en GSM sont structurés généralement en trois couches, selon l’interface . Couche1: Couche physique , qui utilise les structures canal sur l’interface aire . Couche 2: Couche liaison de données. Sur l’interface Um, la couche liaison de données est une version modifiée du LAPD protocole utilisé en ISDN, appelé Link Access Protocol sur le canal Dm (LAPDm). 23

25. MM (Mobility Management): mise à jour de la localisation, authentification et identification abonnés

26. CM (Connection Management) : établissement, maintien et abandon des communications (entre la MS et le MSC)24

27. Interface Um 25

28. Interface Um : RR Protocole RR supervise la mise en place d'un lien, radio et fixe, entre la MS et la MSC. Les principaux composants concernés sont la MS, la BSS, et la MSC. Le protocole RR s’occupe de la gestion d'une RR-session, qui est le temps que le mobile est en mode dédié, ainsi que la configuration des canaux radio, y compris la répartition des canaux de distribution dédiés. 26

29. Interface Um : MM Protocole MM construit sur la couche supérieure de la couche RR et gère les fonctions qui découlent de la mobilité de l'abonné, ainsi que l'authentification et la sécurité. La gestion de lieu concerne les procédures qui permettent au système de connaître l'emplacement actuel de la MS sous tension afin que le routage des appels peut être accompli. 27

31. SMS (Short Message Service) gestion de la transmission et la réception des messages courts

32. SS (Supplementary Services) gestion des services supplémentaires 28

33. Interface Abis 29

34. InterfeceAbis: ❑ Interface définie entre la BTS et la BSC. ❑ Supporte la transmission des communications des usagers et de la signalisation A ce niveau, les ressources radio dans la plus basse portion de la couche 3 sont changé de la RR à la BTSM (Base Transceiver Station Management). 30

35. InterfeceAbis: L1 31

36. InterfeceAbis: L1 Couche Physique: ❑ Canaux de trafic ❑ Informations émises sur les canaux TCH (voix ou données utilisateurs) à des débits de 16 ou 64kbit/s ❑ Canaux de signalisation ❑ En fonction de l'importance de la BTS, un ou plusieurs canaux vont supporter la signalisation pour les dialogues MS-BSC, MS-MSC et BSC-BTS à des débits de 16 ou 64 kbit/s 32

37. Interface Abis : L2 ❑ Repose sur LAPD avec support des message suivants : ❑ Messages de niveau supérieur entre mobile et réseau (signalisation), plus exactement entre un TRX et la BSC (sur un canal particulier i.e : un slot sur une fréquence donnée) ❑ Messages de supervision et de maintenance de la BTS, par exemple configuration d'un TRX ou mise en mode maintenance de la BTS ❑ Messages internes de gestion de la liaison de données BTS-BSC ❑ Messages émis en mode connecté (seuls les messages de remontées de mesure sont transmis en mode non connecté -émission périodique-) 33

38. Interface Abis : L2 ❑ 2 types de messages: ❑ Transparents : entre la MS et le BSC ou le MSC et pour lesquels la BTS agit comme relais. ❑ Non Transparents : contenant les commande entre la BTS et le BSC (géré par la couche BTSM). 34

40. Pile protocolaire contenue :

41. MTP (Message Transfert Part)

42. SCCP (SignallingConnection Control part )

43. BSSAP (BSS Application Part)35

47. La structure en couches basses du SS7 est proche du modèle OSI.

48. les quatre premières couches de protocoles:

49. MTP1

50. MTP2

51. MTP3

52. SCCPLes seules couches reprises par le système GSM à l'interface A. 37

54. Divisé en trois niveaux

55. Proches des trois premières couches du modèle OSI 38

59. Définit les fonctions et les procédures de transfert des messages de signalisation de façon à fournir un transfert fiable entre deux points.

60. Couche liaison de données du modèle OSI.

61. Les données échangées : « trames sémaphores » 40

63. un mécanisme de contrôle du flux

64. de détection d'erreur

65. de correction par retransmission.

66. Par conséquent, le MTP2 comporte un mécanisme de surveillance du taux d'erreur sur la liaison sémaphore41

68. Le MTP3 définit les fonctions et les procédures de transfert de messages entre les nœuds du réseau sémaphore

69. Il comprend deux fonctions :

70. Orientation des messages de signalisation

71. Gestion du réseau sémaphore42

73. La fonction d'orientation

74. Réalise le routage des messages entre l'expéditeur et le destinataire à travers SS7 43

76. la fonction de gestion sémaphore

77. établir des actions et procédures nécessaires pour assurer le service de signalisation

80. le SCCP permet de réaliser l'interconnexion de réseaux et l'adressage au sein de plusieurs réseaux

81. le service orienté connexion :

82. le SCCP permet d'offrir des services avec connexion non présents dans le MTP. 45

84. Cette couche est formée de deux sous-couches :

85. la sous-couche BSSMAP

86. et la sous-couche DTAP 46

90. les autres messages qui sont en fait échangés entre le mobile et le MSC (sous-couche DTAP) :48

93. Régit les échanges de messages des MS-MSC transitant par le BSC ❑ Simple protocole de réémission de tous les messages reçus du niveau MM/CM du MSC sans aucune interprétation du contenu 50

94. Procédures 51

96. MS bascule vers le canal FCCH de la porteuse la plus forte

97. MS lit les data de synchronisation SCH

98. MS lit les données sur le canal BCCH

99. MS reste sur le BCCH

100. si non le MS cherche une autre52

103. Canal physique

104. couple(Fréquence,Timeslot)

105. Canal logique

106. subdivision temporelle d'un canal 54

109. utilisé par le MS pour l'accès initial au réseau(avant l'obtention d'un resource dédiée). Canal commun UL -> risque de collision! 55

111. utilisé pour les mises à jour de localisation, la phase précédant l'allocation d'un canal de traffic

112. TCH: Traffic Channel

113. canal de traffic utilisé par exemple pour unecommunication voix 56

116. Un réseau GSM est divisé en cellules. Un groupe de cellules est considérée comme une zone de localisation

117. Un téléphone mobile en marche informe le réseaudes changements dans la zone de localisation

118. Si le mobile se déplace d'une cellule dans une zone de localisation d'une cellule dans une autre zone de localisation

119. Le téléphone mobile devraient procéder à une zone de localisation mise à jour pour informer le réseau sur l'emplacement exact de la téléphone mobile.58

121. Types:

122. Normal Location Update

123. Periodical Location Update

124. LU with IMSI attached59

126. CIPHERING: Le protocole A5/1 est un algorithme de chiffrement par flot utilisé dans le cadre des communications GSM. Il génère une suite pseudo-aléatoire avec laquelle on effectue un XOR avec les données. Plusieurs variantes existent : A5/1, A5/2, A5/3, … L'algorithme A5 utilise une clé de 64 bits mais son implémentation dans le GSM n'utilise que 54 bits effectifs (10 bits sont mis à zéro). 61

127. CIPHERING: 62

128. Air interface Kc Kc Frame number Frame number Direction Direction 1 bit 1 bit 22 bits 22 bits 64 bits 64 bits A5 A5 114 bits seq DL 114 bits seq DL 114 bits seq UL 114 bits seq UL XOR XOR Ciphered Data XOR XOR CIPHERING: 63

130. Assignation immédiate: allocation de canal avec un TCH/ FACCH ou SDCCH.64

131. Mobile Originting Call: Request Access 65

133. Le MS calcule le SRES sur la base du RAND qui a été donné et envoie le SRES à la BSS dans une réponse d'authentification (AUTH_RESP) message

134. La BSS vérifie le SRES. Si le SRES est juste, alors le MS est authentifié et il est permis l'accès au réseau. La BSS enverra un message service Accepter (CM_SERV_ACC) en faisant savoir aux MS que la demande de service a été reçue et traitée.

135. Une fois authentifié, la BSS commandes MS de passer en mode chiffré avec un message CIPH_MOD_CMD66

136. Mobile Originting Call : Authentcation 67

138. La BSS attribue un TCH à la MS par l'envoi d'un message Assignment commande (ASS_CMD). Ce message spécifie l'émetteur (TRX), et quel Time Slot (TS) à utiliser. * La BSS n’attribue pas de TCH à la MS jusqu'à ce que le MSC envoie un call proceeding(CALL_PROC) message à la BSS indiquant que l'IAM ( Initial Address Message) a été envoyé.

139. La MS switch immédiatement au TCH affecté. Le MS envoie un message Assignmentcomplete (ASS_COM) à la BTS sur le FACCH. * Rappelez-vous que le FACCH n'est pas un canal, il s'agit simplement d'un timeslot du TCH qui est utilisée pour la signalisation sur le trafic de la voix.68

140. Mobile Originting Call : Initial Call Setup 69

142. Sur la base du numéro composé, le GMSC décide de l'endroit où router l'IAM dans le RTPC.

143. Le RTPC continuera d'acheminer l'IAM, jusqu'à ce qu'il atteigne le centre de commutation où le routage de l'appel se termine. Le RTC établie alors le circuit d’appel et envoi un Address Complete Message (ACM) à la GMSC. 15. La GMSC transmet ensuite l'ACM à la MSC responsable indiquant que le circuit d'appel a été établi.70

144. Mobile Originting Call : Call Setup 71

146. Une fois la MS reçoit le message CON, il passe sur la voix et commence l'appel. Toutes le trafic voix se produit sur TCH attribué.72

147. Mobile Originting Call : Call Establishment 73

149. La BSS envoi le DISC à la MSC. Une fois que le MSC reçoit le message DISC, elle envoie un message Release (REL) par le biais du message GMSC au RTPC, ainsi que à travers les BSS à la MS.

150. La MS répond par l'envoi d'un message release complete (REL_COM) à la BSS sur le FACCH. Le message BSS REL_COM est transmit à la MSC. Une fois que la MSC reçoit le message REL_COM l'appel est considéré comme clos .

151. Bien que l'appel a pris fin, la BSS a encore un TCH alloué à la MS. La MSC envoie un message channel release (CHAN_REL) message à la BSS. La BSS CHAN_REL transmet le message à la MS.

152. La MS répond avec un message DISC (LAPDm) et bascule à un mode veille. Le BSS désalloue le canal de transmission.74

153. Mobile Originting Call : Call Termination 75

155. Il existe des varientes de handover:

156. Handoverintercellules

157. Handover intra-BSS

158. Handover intra-MSC

159. Handover inter-MSC76

161. Intra BSC

162. Inter BSC

163. Inter MSCMSC 2 Handover 77

165. Mesure Uplink (UL) : La BTS mesure la qualité et la puissance de la connexion ainsi que la distance MS-BTS 78

166. Handover La décision du HO est determinée par comparaison entre les mesure courante des valeurs de sensibilités fixées au préalable par des processus de mesure. Si un HO intercellule est a initié, il existe des critères de séléction pour la prise de décision sur les destinations et cela est effectué par la BSC ou par la MSC. 79

168. Qualité du signal (UL et DL)

169. Distance MS-BTS (Time Advance et UL)

170. Puissance du signal des cellules voisines

171. Interférences diminuant la qualité du signal (DL,UL) 80

173. TA MS: 62

174. RX Qual UL MSA B Rx level: Cell A |-|-|-|-|-|-|-|-| Cell B |-|-|-|-|-|-|-|-| Cell C |-|-|-|-|-|-|-|-| Rx Qual DL C Handover - Measurement reports - Decision (taken by the BSC in charge of the BTS) - Execution 81

175. MS BTS1 BTS2 BSC MSC Preparation Measurement result RR Measurement report SACCH RR Measurement report SACCH Measurement result Decision Channel Activation Channel Activation Ack RR Handover Command FACCH RR Handover access Access burst on TCH RR Handover access Access burst on TCH Execution Handover detection RR Physical info FACCH RR Physical info FACCH Lapdm UA FACCH RR Handover Complete FACCH Handover complete RF channel release Release of old resources RF channel release acknowledge Lapdm SABM FACCH Handover : Intra-BSC 82

176. RR Measurement report SACCH Measurement result BSSMAP Handover Required BSSMAP Handover Request BSSMAP Handover Request Ack Channel Activation Channel Activation Ack BSSMAP Handover Command RR Handover Command FACCH RR Handover access Access burst on TCH Handover detection Handover detection RR Physical info FACCH Lapdm UA FACCH RR Handover Complete FACCH Handover complete BSSMAP Handover complete BSSMAP Clear command RF channel release RF channel release ack Lapdm SABM FACCH Handover : Inter-BSC MS BTS1 old BSC1 old MSC BSC2 new BTS2 new 83

177. Conclusion 84