interface radio gsmcsmaniac.free.fr/stri/cours/l3/r%e9seaux%20mobiles,%20...rev01.00jg 09/01/2002 2...

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Interface Radio GSMcanaux logiques

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Généralités

Canaux de contrôle logiques

Canaux dédiés

Voie balise

Canaux de contrôle commun

Scrutation dans la trame TDMA

Synthèse

09/01/2002rev01.00JG 3Généralités

Canaux logiquesØ interface radio est le maillon faible de la chaîne de transmission GSM.ü atténuationü evanouissements rapidesü interférencesü trajets multiplesà renforcement de l’interface radio avec des fonctions de contrôle afin de :

- se rattacher à une station de base favorable- établir une communication- surveiller le déroulement d’une communication- assurer des commutations de cellules (handover)

à transferts de données : informations système, relevés de mesures, messages de contrôle

à canaux logiques spécifiques


Canaux logiquesØ transmettre des informations utilisateur pendant les différentes phases

de communication ou pendant l’état de veille.ü veilleü scrutationü mesuresü contrôle

à voie balise permet l’activation de fonctions physiques ou logiques qui sert de lien entre le mobile et le système (communication ou veille)

Ø apparition d’un grand nombre de tuyaux (pipe) numériques qui permettent de transporter les données utilisateur ou les données de contrôle

à TCH (Traffic Channel) est le canal transportant la parole


Couche Physique

LAPDm

SACCH

TCH

FACCH SACCH SDCCH

RACH

AGCH PCH BCCH SCH

FCCH

Broadcast Chanels

Common ControlChanelsDedicated Chanels

Canaux logiques GSM


Canaux logiques

Ø GSM à système téléphonique orienté « circuit » .ü gère des circuits téléphoniques équivalentsü BSC affecte des TCH à un mobile qui désire communiquerü canal de trafic accompagné de canaux logiques de contrôleü difficulté de la présentation et la compréhension de l’interface radio

Modèle en couches de l’interface radioà analogie avec le modèle OSI

- couches 1, 2 et 3 (physique, liaison de données et réseau)contiennent les éléments indispensables, matériels et logiciels pour assure une transmission.

- couches 4, 5, 6 et 7 (transport, session, présentation et application) sont de nature plus ‘informatique’ et concernent le plan de signalisation.

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Couche Physique

Contrôle de lien radio Protection et Détection des erreurs

Canaux physiques et logiques

Construction des bursts

TCH SACCH FACCH SDCCH RACH PCH AGCH BCCH

SCH FCCH

Couche Liaison de donnéesmécanisme de retransmission

Call Management (CM)Call Control (CC)Supplementary Service (SS)Short Message Service (SMS)…

Mobile Mgt (MM)AuthentificationMise à jour de loc.IMSI, Identification…

Radio Ressource (RR)Paging, Activation, Chiffrement, Handover, Rapport de mesures…

Couche Réseau

Généralités

09/01/2002rev01.00JG 8Canaux de contrôle logiques

Canaux physiques à Canaux logiques

Ø paire de fréquences : un slot particulier est alloué à une communication avec un mobile donné.

ü paire de slots forme un canal physique duplexü forme la base de 2 canaux logiques :

- TCH qui porte la voix numérisée - un canal de contrôle le SACCH (Slow Associated Control

Channel) qui permet le contrôle des paramètres physiques de la liaison.

Canal PhysiqueTCH

SACCH


Fonctions de contrôle

Ø diffusion des informations systèmes : Broadcast Channels (BCCH, SCH, FCCH)

Ø prévenir les mobiles des appels entrant et faciliter leur accès au système : Common Control Channels (RACH, AGCH, PCH)

Ø contrôler les paramètres physiques avant et pendant les phases actives de transmission (FACCH, SCH, SACCH)

Ø fournir des supports pour la transmission de la signalisation téléphonique (SDCCH)

à pas de nécessité d’utiliser un canal physique plein.à allocation moins d’un slot par trame : multitrames qui permet

de repérer un slot dans la trame.


Structure de multitrame

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 …

trame TDMA

0 1 2 3 …multitrame

4,615 ms

4,615 ms

Ø entre 2 slots d’une multitrame, il s’écoule 4,615 msØ multitrameà canal logiqueØ limitation de la scrutation des équipements à on affecte à chaque slot

d’un multitrame (et sur une certaine porteuse) une fonction précise.


De la multitrame à l’hypertrame

Multitrame 26

22 23 24 25…0 1 2 3

Multitrame 51

47 48 49 50…0 1 2 3 4 5

120 ms 235,8 ms

0 1 2 3 47 48 49 50

0 1 2 24 25

Supertrame

0 1 2 3 4 2045 2046 2047

Hypertrame

3h 28 min 53 s 760 ms


De la multitrame à l’hypertrameØ hypertrame = 2 715 648 trames TDMA (3h 28 min 53 s 760 ms)

Ø chaque trame TDMA est repérée par un compteur FN (Frame Number)dans l’hypertrame.

Ø la BTS transmet régulièrement au mobile le compteur FN lui permettant de se repérer dans l’hypertrame.

Ø l’hypertrame d’une BTS commence au même instant pour l’ensemble des fréquences.

Ø FN est la base de temps propre de la BTS et sert pour le chiffrement.

Ø À un instant donné, les compteurs FN de 2 BTS différentes peuvent ne pas avoir la même valeur.


Classification des canaux logiquesØ Canaux logiques dédiés :

ü fournit une ressource réservée à un mobile.ü attribue au mobile une paire de slots (un en émission un en

réception) dans lequel il est seul à transmettre et à recevoir.ü dans la même cellule, aucun autre mobile ne peut transmettre ni

recevoir dans le même slot à la même fréquence.ü les canaux logiques dédiés sont duplex

Ø Canaux logiques non dédiés :ü partagés par un ensemble de mobiles.ü sens descendant : mobiles à l’écoute du canal (réveil d’un mobile)ü sens montant : fonction d’accès multiple.ü les canaux logiques non dédiés sont simplex

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Frequency Correction Channel (FCCH)

Calage sur fréquence porteuse

Synchronization Channel (SCH)

Synchronisation + Identification

Broadcast Channel (BCH)

unidirectionnel

en diffusion (voie balise)

Broadcast Control Channel (BCCH)

Information Système Paging Channel

(PCH) Appel du mobile

Random Acces Channel (RACH)

Accès aléatoire du mobile

Acces Grant Channel (AGCH)

Allocation de ressource

Common Control Channel

(CCCH)

accès partagé Cell Broadcast Channel

(CBCH) Messages courts diffusés

Stand-Alone Dedicated Control Channel (SDCCH)

Signalisation Slow Associated Control

Channel (SACCH) Supervision de la liaison

Dedicated Control Channel

Fast Associated Control Channel (FACCH)

Execution du handover Traffic Channel for coded speech (TCH/FS ou HS)

Voix plein/demi débit Traffic Channel

(TCH) Traffic Channel for data (TCH/FS ou HS)

Données utilisateur

Canaux de contrôle logiques

09/01/2002rev01.00JG 15Canaux dédiés

Canaux dédiésØ TCH et SDCCH :

ü transportent les données utilisateur (trafic TCH) ou provenant des couches hautes (signalisation SDCCH).

ü débit canal de trafic >> débit canal de signalisationü canal physique : 1 TCH et son SACCH associé ou 8 SDCCH et leurs

SACCH associés à SDCCH = TCH/8

Ø SACCH (Slow Associated Control Channel) :ü lien radio fluctuant à ajustement des paramètres pour conserver

une qualité de services acceptable.ü association d’un SACCH à un TCH ou SDCCH.ü compensation du délai de propagation aller-retour (TA)ü contrôle de la puissance d’émission du mobileü contrôle de la qualité du lien radioü rapatriement des mesures effectuées sur les stations voisines


Canaux dédiésØ FACCH :

ü lenteur du SACCH à ne convient pas aux actions rapides comme le handover.

ü lors du handover, on suspend la transmission des informations usagers, et on récupère la capacité libérée afin d’écouler la signalisation.

ü association différente que pour le SACCH à vol de la capacité TCH

àmultiplexage TCH-SACCH

à implantation des canaux FACCH

àmultiplexage SDCCH-SACCH


Multiplexage TCH-SACCH

Ø Canal de parole plein débit :ü transmettre un bursts de parole toutes le 5 msü trame TDMA = 4,61538 msü période de 120 ms (multitrame 26), 6 blocs de parole (24 bursts)

sont engendrés.ü le mobile dispose de 26 slots à 2 slots de libre (1 SACCH, 1 idle ou

au repos (scrutation des voies balise des cellules voisines))

T T T T T T T T T T T TT T A T T T T TT T T T T i

T : TCH A : SACCH i : idle

0 1 2 12 25


Implantation des canaux FACCH

ü vol de la capacité normalement destinée aux informations utilisateur.

ü même entrelacement que le TCHü drapeaux de préemption (stealing bits)

Bits de données 57 bitsTCH ou FACCH

Séquence d’apprentissage

26 bits

Bits de données 58 bitsTCH ou FACCH

3 bits 3 bits

1 1

Bit = 0 à bits de données pairs = TCHBit =1 à bits de données pairs FACCH

Bit = 0 à bits de données impairs = TCHBit =1 à bits de données impairs FACCH


Implantation des canaux FACCH

ü exemple de transmission du FACCH

T : TCH F : FACCH A : SACCH i : idle

T TTF

TF

TF

TF

FT

FT

T T T TFT

FT

A T T T T TT T T T T i

0 1 2 12 25

les deux lettres indiquent le canal logique supporté par chaque demi-burst (une seule lettre signifie que les deux demi-bursts supportent le même canal)


Multiplexage SDCCH-SACCH

D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 A 0 A 1 A 2 A 3

A 1 A 2 A 3 D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 A 5 A 6 A 7 A 0

Di : canal SDCCH i Ai : canal SACCH i associé au canal SDCCH i

ü SDCCH et son canal SACCH multiplexé sur un canal physiqueü SDCCH = TCH/8ü 1 suite de 2 multitrames 51 pour 8 canaux SDCCH et son SACCHü Les slots 32 à 47 sont utilisés sur les multitrames paires (impaires)

pour les canaux associés aux canaux SDCCH 0,1,2 et 3 (4,5,6 et 7)

A4 A5 A6 A7

A4 A5 A6 A4

09/01/2002rev01.00JG 21Voie balise

Voie baliseü se raccorder en permanence à la station de base la plus favorableü à voie balise (beacon channel) propre à chaque station de baseü indispensable à l’itinérance et le handoverü fréquence particulière appartenant aux fréquences allouées à la

stationü mobile mesure périodiquement le niveau du signal qu’il reçoit et

détermine si il est à la portée de la station ü à chaque voie balise comprend des signaux de forme spécifique

(détection et calage en fréquence et en temps) et des informations systèmes (identité du réseau et caractéristiques d’accès)

ü mise sous tension : calage sur la voie balise de la BTSü veille : surveille constamment le signal reçu sur cette voie et sur les

voies des stations voisines


Voie baliseü mobile écoute périodiquement les voies balises des stations

avoisinantes et mesure la puissance reçue. à liste des stations susceptibles de l’accueillir en cas de handover

ü scrutation des voies balises se fait en permanence (veille ou communication)

ü voies balises : - fréquence descendante (fréquence - balise) : émission en

permanence d’un signal modulé de puissance constante qui permet aux mobiles de faire des mesures de puissance.

- canaux logiques en diffucion (Broadcast Channel) implantés sur cette fréquence – balise sur le slot 0 (FCCH, SCH, BCCH).


Canal FCCHü FCCH (Frequency Correction Channel) à burst particulier émis

environ toutes les 50 ms. à composé de 148 bits à 0.

ü émission sur une fréquence porteuse f0 à donne un signal sinusoïdal de fréquence f0 + 1625/24 kHz (écart de fréquence introduite par la modulation GMSK)

ü porteuse pure décalée en fréquence qui permet un calage fin de l’oscillateur du mobile.

ü FFCH présent sur le slot 0 de la voie balise est émis dans les trames 0, 10, 20, 30 et 40 d’une multitrame 51. (20 fois par seconde)


Canal SCHü SCH (Synchronisation Channel) à fournir aux mobiles tous les

éléments nécessaires à une synchronisation complète.à composé de 148 bits à 0.

ü 2 niveaux de synchronisation : - synchronisation fine : aide à la détermination du TA.- synchronisation logique : détermination du FN (mettre le

compteur de trame FN du mobile en phase avec celui de la BS.

ü séquence d’apprentissage commune à toutes les stations de base sur tous les PLMN car c’est le premier burst qu’une station mobile décode.


Structure du burst de synchronisation

0 1 2 3 4 5 6 7

Slot : 156,25 bits (577 us)

Bits de données encodés

Séquence d’apprentissage


3 bits 39 bits 39 bits64 bits 3 bits

8,25 bits (30,46 us)

Format du burst de synchronisation

à Slot = Burst + Période de garde (30,46 us)

Trame TDMA


Place dans la multitrame SCH

Ø FCCH et SCH émis dans le slot 0 d’une trame TDMA.Ø situé une trame après le burst FCCH.Ø après le calage en fréquence, c’est ce burst que tente de décoder le

mobile.Ø détection du burst à voie balise que le mobile écoute

F : FCCH S : SCH

0 1 2 20 5010

F SF S F S F S F S F

30 40


Données transportées dans le SCHØ SCH transporte sur chaque burst 2 paramètres sur 25 bits :

- numéro de la trame réduit RFN (19 bits) permettant de déterminer le FN

- code de couleur BSIC (6 bits) dont le rôle est discriminer plusieurs stations de base peu éloignées ayant la même fréquence.

+ 10 bits de CRC et 4 bits de trainée = mot de 39 bits

Ø synchronisation logique : 11 bits pour numéro de la supertrame, 5 bits pour numéro de la multitrame 51, 3 bits place du SCH parmi les 5 places possibles dans la multitrame 51 (1, 11, 21, 31, 41)

Ø code couleur BISC permet de différencier deux voies balises (BTS) sur la même fréquence (mobile à mi-distance entre les deux BTS)

- 3 bits : code couleur d’une BTS dans un PLMN- 3 bits : code couleur d’un PLMN


Canal BCCHü BCCH (Broadcast Control Channel) à diffusion des données

caractéristiques de la cellule.à diffusion régulière d’informations systèmes de plusieurs types.

- paramètres de sélection de la cellule- numéro de zone de localisation- liste des porteuses allouées à la BS (saut de fréquence)- ensemble de paramètres : contrôle de puissance, DTX…- diffusion de l’identité de la BTS au sein de la zone de loc.

ü 4 bursts normaux à chaque multitrame 51 (4,255 infos/seconde)ü se situe généralement sur le slot 0 de la fréquence BCCH

09/01/2002rev01.00JG 29Canaux de contrôle commun

Canal RACHü RACH (Random Access Channel) à requête pour envoi

d’informations (localisation, appel, message court)à requête courte sur un seul burst en accès aléatoire ALOHA.

- burst utilisé est plus court que le burst normalà le mobile ne connaît pas le délai de propagation entre l’endroit où il se trouve et la station de base.

ü le délai de garde est fixé à 252 us pour permettre une distnacemaximale de 37,8 km (marges de sécurité : 35 km).

ü requête contient entre 3 et 6 bits indiquant la catégorie du service demandé.


Canal RACH

Slot : 156,25 bits (577 us)

Séquencede synchronisation


8 bits 41 bits 36 bits 3 bits

68,25 bits (252 us)

Ø 41 bits de synchronisation pour allonger la plage de synchro.

Ø bits de données : 8 bits utiles + 6 bits couleur BISC = 14 bits

- se rajoute 4 bits de trainée = 18 bits- code convolutionnel de taux ½ = 2 x 18 bits = 36 bits


Canal AGCHü AGCH (Access Grant Channel) à allocation d’un canal de

signalisation pour l’identification du mobile, l’authentification et la détermination de la demande.à allocation d’un canal dédié.

àmessage d’allocation contient la description complète du canal de signalisation utilisé :

- numéro de porteuse- numéro de slot- description du saut de fréquence (s’il est implanté)- paramètre TA

ü message d’allocation codé en 8 blocs de 57 bits entrelacés sur 4 bursts normaux.


Canal PCH

ü PCH (Paging Channel) à diffusion (par l’infrastructure) de l’identité du mobile sur un ensemble de cellules.àmobile répond sur le canal RACH .

à possibilité d’appeler 4 mobiles dans le même message en utilisant le TMSI.

ü message d’allocation codé en 8 blocs de 57 bits entrelacés sur 4 bursts normaux.

09/01/2002rev01.00JG 33Scrutation dans la trame TDMA

Scrutation dans les trames TDMA

0 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 7 i

0 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 7 i

00 0

0 1 2

voie descBTS

courante

voie descBTS

voisine

voie montBTS

courante

activité dumobile

réception émission mesure émissionréception

Mesure et décodage

réceptionFenêtre d’observation du mobile

à lire le slot 0 d’une BTS quelconque toutes les 26 trames TDMA

09/01/2002rev01.00JG 34Scrutation dans la trame TDMA

Scrutation dans les trames TDMA

T T TT T T T T T T T TT TAT T T T TT T T T T i T T TT T T T T T T T TT TAT T T T TT T T T T i

F SF S F S F S F S F F S

i

ü décalage de la fenêtre d’analyse sur la multitrame 51 (26 et 51 sont premiers entre eux).à lecture du slot 0 de la multitrame 51 à slot 0 de la trame 0, 26, 1, 27, 2, 28, 3 etc… et notamment la synchronisation SCH.

Activité mobile

Émission voie balise

09/01/2002rev01.00JG 35Synthèse

Type Taille du bloc en

bits utiles

Taille du bloc codé

Nbre bursts

(entrelacement)

Débit d’entrée

(b/s)

Délai dû à l’entrelacement (ms)

Périodicité du bloc

(ms)

TCH/FS 260 456 8*1/2 13000 38 20

TCH/HS 112 228 4*1/2 5600 33 20

TCH/F9,6 4*60 456 22 9600 93 20

TCH/F4,8 2*60 456 22 4800 93 20

TCH/H4,8 4*60 456 22 4800 185 40

TCH/F2,4 2*36 456 8*1/2 2400 38 20

TCH/H2,4 2*36 456 22 2400 185 20

FACCH/F 184 456 8*1/2 9200 38 20

FACCH/H 184 456 8*1/2 4600 74 40

SACCH (TCH)

184 456 4 382 360 480

SDCCH 184 456 4 782 14 235,8

SACCH (SDCCH)

184 456 4 391 14 471,6

Caractéristiques des canaux logiques dédiés et associés


Type Taille du bloc en bits

utiles

Taille du bloc codé

Nbre de bursts

(entrelacement)

Délai dû à l’entrelacem

ent

Périodicité du bloc (ms)

FCCH 0 0 SCH 25 78 1 0

BCCH 184 456 4 14 235,8 PCH+AGCH 184 456 4 14

RACH 8 36 1 0

Caractéristiques des canaux logiques non dédiés


Structure de multiplexage possible sur un slot

Structure Canaux de contrôle diffusés

Canaux de contrôle partagés

Canaux dédiés (sign.

ou trafic)

Canaux associés

Remarque

51 FCCH + SCH + BCCH

PCH + AGCH + RACH

Seulement sur le slot 0 et porteuse BCCH

51 FCCH + SCH + BCCH

PCH + AGCH + RACH

4 SDCCH 4 SACCH Pas de saut de fréquence

51 BCCH PCH + AGCH + RACH

Seulement sur slot 2,4,6 et porteuse BCCH

Pas de saut de fréquence 51 8 SDCCH 8 SACCH

26 1 TCH/F ou 1 FACCH

1 SACCH

26 2 TCH/F ou 2 FACCH

2 SACCH

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[1] Xavier Lagrange et. Al., « Réseaux GSM», HERMES 2000, ISBN 2-7462-0153-4

[2] Roger L. Freeman, « Radio System Design for telecommunications », Wiley-Interscience 1997, ISBN 04-7116-2604

[3] Recommandation UIT-R M.1073-1, « Systèmes Mobiles Terrestres cellulaires Numériques de Télécommunication »

[4] 3G TS 23.060 ETSI « GSM, GPRS, UMTS Service Description »

Références

interface radio gsmcsmaniac.free.fr/stri/cours/l3/r%e9seaux%20mobiles,%20...rev01.00jg 09/01/2002 2...

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