gsm protocoles & procédures

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SYSTÈME GSMPROTOCOLES & PROCEDURES

Réalisé par: Proposé par:Anouar Loukili M. M. R. BritelAnas Bennani

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PLANINTRODUCTIONARCHITECTUREPROTOCOLESPROCEDURESCONCLUSION

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Architecture

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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

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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.

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Architecture : BSSLe 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.

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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.

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Architecture : NSSLe 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 Subscriber Identity). 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.

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Architecture : OSS• Le sous-système d’exploitation et de maintenance OSS (Operation Subscriber

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.

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Architecture : Les interfaces

• L’interface UmC’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 AbisC’est l’interface entre les deux composants du sous système BSS : la BTS (Base Station Transceiver) et le BSC (Base Station Controler).

• L’interface AC’est l’interface entre les deux sous systèmes BSS (Base Station SubSystem) et le NSS (Network SubSystem).

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Protocoles

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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.

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Pile des Protocoles de Signalisation:

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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…

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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 , Automatic Repeat Request).

• 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

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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 Asynchronous Balanced 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.

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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).

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Interface Um

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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).

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Interface Um

Protocoles MS:

Couche 3: La couche 3 du protocole de signalisation GSM est subdivisé en trois sous-couches :

RR (Radio Resource Management): établissement, maintien et abandon des connexions radio

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

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

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Interface Um

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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.

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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.

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Interface Um: CM

La couche CM contient 3 éléments :

CC (Call Control) gestion des connexions pour les appels (établissement, maintien et fin des appels)

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

SS (Supplementary Services) gestion des services supplémentaires

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Interface Abis

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Interfece Abis:

❑ 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).

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Interfece Abis : L1

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Interfece Abis : 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

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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-)

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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).

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Interface A :

C’est l’interface entre les deux sous systèmes BSS (Base Station Sub System )et le NSS (Network Sub System)

❑ Utilise le réseau sémaphore SS7

Permet à deux centraux de pouvoir s'échanger à tout moment des messages de signalisation indépendamment des circuits établis entre eux.

Pile protocolaire contenue :

MTP (Message Transfert Part) SCCP (Signalling Connection Control part ) BSSAP (BSS Application Part)

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Interface A :

Avantages de la signalisation sémaphore: La possibilité de transférer de la signalisation pure indépendamment de

l'établissement d'un circuit.

La réduction des délais de transfert de la signalisation et diminution du temps d'occupation inefficace des circuits.

La possibilité de transférer la signalisation à fort débit pendant une communication sans que l'utilisateur soit gêné.

La possibilité de réserver les circuits pour un appel seulement lorsque le correspondant demandé est réellement joignable.

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Interface A :

Architecture SS7 & OSI

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

les quatre premières couches de protocoles:

MTP1MTP2MTP3SCCP

Les seules couches reprises par le système GSM à l'interface A.

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Interface A :

Le MTP (Message Transfert Part)

Le MTP offre un service de transfert fiable des messages de signalisation

Divisé en trois niveaux

Proches des trois premières couches du modèle OSI

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Interface A :

Le MTP (Message Transfert Part)

MTP1 : couche physique :

Définit les caractéristiques physiques, électriques et fonctionnelles d'une liaison physique (SS7) et les moyens d'y accéder

On utilise le plus souvent des conduits numériques à 64 kbit/s

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Interface A : Le MTP (Message Transfert Part)

MTP2 : Procédures d'acheminement des données sur une liaison

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

Couche liaison de données du modèle OSI.

Les données échangées : « trames sémaphores »

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MTP2 : Procédures d'acheminement des données sur une liaison

Le protocole utilisé contient :un mécanisme de contrôle du fluxde détection d'erreurde correction par retransmission.

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

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MTP3 : routage et contrôle

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

Il comprend deux fonctions : Orientation des messages de signalisation Gestion du réseau sémaphore

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MTP3 : routage et contrôle

La fonction d'orientation

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

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Interface A : Le MTP (Message Transfert Part) MTP3 : routage et contrôle

la fonction de gestion sémaphore

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

réagir en cas de défaillance du réseau sémaphore

MTP3 utilise les informations de surveillance provenant du niveau 2.

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Interface A :Le SCCP (Signalling Connection Control Part)

Le SCCP offre deux services supplémentaires par rapport au MTP :

l'échange de signalisation pure au niveau international le SCCP permet de réaliser l'interconnexion de

réseaux et l'adressage au sein de plusieurs réseaux le service orienté connexion :

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

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Interface A :Les couches hautes : BSSAP (BSS Application Part)

Au dessus des couches MTP et SCCP

Cette couche est formée de deux sous-couches :

la sous-couche BSSMAP et la sous-couche DTAP

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Interface A :Les couches hautes : BSSAP (BSS Application Part) types de messages :

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gestion des ressources radio

les messages interprétés par le BSC qui ont trait à la (sous-couche BSSMAP)

BSC joue le rôle de répéteur les autres messages qui sont en fait échangés

entre le mobile et le MSC (sous-couche DTAP) :

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BSSMP : définit le dialogue pour les messages interprétés par le BSC

❑ Messages à destination du BSC

❑ Mise hors service des circuits de parole entre le BSC et le MSC

❑ Interrogation des ressources disponibles au BSC

❑ Réinitialisation du MSC ou du BSC ❑ Appel en diffusion d'une MS sur une

zone de localisation donnée ❑ Transfert de communications vers un

autre BSC

❑ Messages liés à un canal radio dédié particulier

❑ Message initial de la MS sur le canal radio dédié

❑ Allocation canal radio TCH ❑ Exécution d'un handover ❑ Passage en mode chiffré ❑ Libération du canal dédié

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Interface A : Les couches hautes : BSSAP (BSS Application Part)

DTAP : Direct Transfert Application Part

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

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Procédures

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Procédures:Cell selection Principe

MS analyse le spectre et emmagasine le niveau le plus fort de la porteuse

MS bascule vers le canal FCCH de la porteuse la plus forteMS lit les data de synchronisation SCHMS lit les données sur le canal BCCH MS reste sur le BCCH

si non le MS cherche une autre

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Procédures: Cell selection

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Procédures: Cell selection

Canal physique couple(Fréquence,Timeslot)

Canal logique subdivision temporelle d'un canal

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Procédures BCCH: Broadcast Control Channel

diffuse les informations nécessaires au mobile (ex. puissance d'émission max., fréquence des cellules voisines,...)

RACH: Random Access Channelutilisé par le MS pour l'accès initial au réseau(avant l'obtention d'un resource dédiée).

Canal commun UL → risque de collision!

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Procédures

SDCCH: Standalone Dedicated Control Channel

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

TCH: Traffic Channel

canal de traffic utilisé par exemple pour une

communication voix

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Procédures:

Immediate assignement

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Procédures:

Location Update Un réseau GSM est divisé en cellules. Un groupe de

cellules est considérée comme une zone de localisation

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

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

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.

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Procédures:

Location Update

Types: Normal Location Update Periodical Location Update LU with IMSI attached

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Procédures:

Location Update

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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).

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CIPHERING:

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CIPHERING:Air interface

A5 A5

Frame number KcDirection

1 bit

64 bits

22 bits

Frame number KcDirection

1 bit

64 bits

22 bits

XOR XOR

XOR XOR

114 bits seq

DL

114 bits seq

UL

Ciphered Data

114 bits seq

DL

114 bits seq

UL

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Mobile Originting Call: Request Access

La MS initie l’appel en envoyant un message Channel Request (RACH).

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

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Mobile Originting Call: Request Access

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Mobile Originting Call : Authentication Avant que le réseau ne fournisse des services aux MS, le réseau demandera aux MS de s'authentifier. La BSS envoie une demande d'authentification (AUTH_REQ) message à la MS. La RAND est le "défi" pour l'authentification.

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

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.

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

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Mobile Originting Call : Authentcation

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Mobile Originting Call : Initial Call Setup La MS envoie alors un message de call setup (SETUP) à la BSS. Le message comporte les informations d'adresse (MSISDN) de l'appelé.

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.

La MS switch immédiatement au TCH affecté. Le MS envoie un message Assignment complete (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.

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Mobile Originting Call : Initial Call Setup

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Mobile Originting Call : Call Setup

La MSC envoie un message Initial Address (IAM) à la GMSC. L'IAM contient le MSISDN de l'appelé. La MSC envoi un message call proceeding (CALL_PROC) à la BSS et c'est alors que la BSS attribue un TCH à la MS.

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

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.

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Mobile Originting Call : Call Setup

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Mobile Originting Call : Call EstablishmentUne fois que le MSC reçoit le ACM, il envoie un message d'alerte à la MS indiquant que l'appel est en cours. La BSS envoie le message d'alerte sur le FACCH. Une fois la MS reçoit l'alerte, elle va générer le son de la sonnerie. La BSS envoie un message d'alerte et l'abonné va entendre la ligne de sonner.

Une fois que l'appelé répond au téléphone, le RTC va envoyer un message de réponse à la MSC. La MSC transmet cela à la MS dans un message connexion (CON).

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.

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Mobile Originting Call : Call Establishment

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Mobile Originting Call : Call Termination Quand soit l'appelant ou l'appelé raccroche, l'appel sera déconnecté. Chaque partie peut engager la déconnexion. La MS envoie un message Disconnect (DISC) à la BTS sur le FACCH.

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.

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 .

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.

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

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Mobile Originting Call : Call Termination

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HandoverLe Handover fait référence au changement de canal physique pendant une connexion.

Il existe des varientes de handover:

Handover intercellules Handover intra-BSS Handover intra-MSC Handover inter-MSC

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Handover

BTS 1

BTS 2

BSC 1

BSC 2

BSC 1

BSC 2

MSC 1

MSC 2

MSC 1

MSC 2

F1,TS1

F2,TS2Cell 1

Cell 2

BTS 1

BTS 2

• Intra Cell• Intra BSC• Inter BSC• Inter MSC

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HandoverL’algorithme du Handover est basé sur des mesures périodiques de la MS et de la BTS concernant la puissance et la qualité du signal reçu.L’initiation du HO est causée par:

Mesure Downlink (DL) : initiée par la MS et transmise periodiquement à la BSC. La MS envoi l’information sur la qualité et la puissance de la connexion et la puissance des BTS l’entourant et en particulier celle qui le sert.

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

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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.

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Handover

Les critères de décision se présentent sous cet ordre:

Puissance du signal reçu (UL et DL) Qualité du signal (UL et DL) Distance MS-BTS (Time Advance et UL) Puissance du signal des cellules voisines Interférences diminuant la qualité du signal (DL,UL)

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Handover

A

B

CRx level:

Cell A |-|-|-|-|-|-|-|-|

Cell B |-|-|-|-|-|-|-|-|

Cell C |-|-|-|-|-|-|-|-|

Rx Qual DL

•Rx level:MS |-|-|-|-|•TA MS: 62•RX Qual UL MS

- Measurement reports

- Decision (taken by the BSC in charge of the BTS)

- Execution

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Handover : Intra-BSCMS BTS1 BTS2 BSC MSC

Preparation

Execution

RR Measurement report

SACCHMeasurement result


SACCHMeasurement result

Channel ActivationDecision

Channel Activation Ack

RR Handover Command

FACCH

RR Handover access

Access burst on TCH

RR Handover access

Access burst on TCH Handover detectionRR Physical infoFACCHRR Physical infoFACCH

Handover complete

RF channel release

RF channel release acknowledge

Lapdm SABMFACCH

Lapdm UAFACCH

RR Handover CompleteFACCH

Release of

old resources

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Handover : Inter-BSC


SACCH Measurement result

Channel Activation

Channel Activation Ack

BSSMAP Handover

RequiredBSSMAP Handover

Request

BSSMAP HandoverRequest Ack

BSSMAP Handover

CommandRR Handover Command

FACCHRR Handover access

Access burst on TCH Handover detectionHandover detection

RR Physical infoFACCH

Lapdm SABMFACCH

Lapdm UAFACCH

RR Handover CompleteFACCH

Handover completeBSSMAP

Handover completeBSSMAPClear commandRF channel release

RF channel release ack

MS BTS1 old BSC1 old MSC BSC2 new BTS2 new

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Conclusion

gsm protocoles & procédures

Technology