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Réseaux GSM, GPRS, UMTS. Architecture évolutive pour une stratégie services. Juin 2002 www.girodon.com Rapport de stage – DESS MTI – IAE Aix en Provence 1 Auteur – Stéphane GIRODON 2001-2002 Réseaux GSM, GPRS et UMTS Cette partie présente les différents éléments des 3 réseaux et montre comment les architectures télécoms des réseaux GSM, GRPRS et UMTS sont complémentaires. Cette partie montre enfin que la mise en place des réseaux GPRS et UMTS est une opération coûteuse au-delà des investissements liés à l’achat des licences. L’objectif de cette partie est de démontrer au lecteur que la mise en service des réseaux GPRS et UMTS doit s’accompagner par la commercialisation de nouveaux services afin de rentabiliser les investissements. Il apparaît clairement que les réseaux GSM, GPRS et UMTS sont complémentaires et qu’ils constituent une évolution des offres de services de l’opérateur télécoms, des services simples de type « Voix » vers les services évolués de type « Data ». Nous analyseront également les distinctions entre les architectures en mode circuits (GSM) et en mode paquet (GPRS et UMTS). Cette partie décrira le fonctionnement des trois architectures réseaux et démontrera que l’évolution des réseaux GSM vers l’UMTS correspond à une stratégie orientée services.

Author: hatuong

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  • Rseaux GSM, GPRS, UMTS. Architecture volutive pour une stratgie services. Juin 2002

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    Rapport de stage DESS MTI IAE Aix en Provence 1 Auteur Stphane GIRODON 2001-2002

    Rseaux GSM, GPRS et UMTS

    Cette partie prsente les diffrents lments des 3 rseaux et montre comment les

    architectures tlcoms des rseaux GSM, GRPRS et UMTS sont complmentaires.

    Cette partie montre enfin que la mise en place des rseaux GPRS et UMTS est une

    opration coteuse au-del des investissements lis lachat des licences.

    Lobjectif de cette partie est de dmontrer au lecteur que la mise en service des rseaux

    GPRS et UMTS doit saccompagner par la commercialisation de nouveaux services afin de

    rentabiliser les investissements.

    Il apparat clairement que les rseaux GSM, GPRS et UMTS sont complmentaires et

    quils constituent une volution des offres de services de loprateur tlcoms, des services

    simples de type Voix vers les services volus de type Data .

    Nous analyseront galement les distinctions entre les architectures en mode circuits (GSM)

    et en mode paquet (GPRS et UMTS).

    Cette partie dcrira le fonctionnement des trois architectures rseaux et dmontrera que

    lvolution des rseaux GSM vers lUMTS correspond une stratgie oriente services.

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    Rapport de stage DESS MTI IAE Aix en Provence 2 Auteur Stphane GIRODON 2001-2002

    1 Infrastructure dun rseau GSM

    1.1 Prsentation de linfrastructure dun rseau

    Le rseau GSM a pour premier rle de permettre des communications entre abonns mobiles

    (GSM) et abonns du rseau tlphonique commut (RTC rseau fixe).

    Le rseau GSM sinterface avec le rseau RTC et comprend des commutateurs.

    Le rseau GSM se distingue par un accs spcifique : la liaison radio.

    Le rseau GSM est compos de trois sous ensembles :

    Le sous systme radio BSS Base Station Sub-system assure et gre les transmissions radios

    Le sous systme dacheminement NSS Network Sub System (on parle aussi de SMSS

    Switching and Management Sub-System pour parler du sous systme dacheminement). Le

    NSS comprend lensemble des fonctions ncessaires pour appels et gestion de la mobilit.

    Le sous-systme dexploitation et de maintenance OSS Operation Sub-System) qui permet

    loprateur dexploiter son rseau.

    La mise en place dun rseau GSM (en mode circuit) va permettre un oprateur de proposer des services de type Voix ses clients en donnant laccs la mobilit tout en conservant un interfaage avec le rseau fixe RTC existant.

    BTS

    BSC

    MSC

    OMC - NMC TMN

    HLR

    VLR

    Flux data interne

    Ondes radio

    Echanges de SMS

    OTA SMSC

    AUC

    RTCPRNIS

    ME / SIM

    GMSC

    BTS

    BSC

    MSC

    OMC - NMC TMN

    HLR

    VLR

    Flux data interne

    Ondes radio

    Echanges de SMS

    OTA SMSC

    AUC

    RTCPRNIS

    ME / SIM

    GMSC

    BTS

    BSC

    MSC

    OMC - NMC TMN

    HLR

    VLR

    Flux data interne

    Ondes radio

    Echanges de SMS

    OTA SMSC

    AUC

    RTCPRNIS

    ME / SIM

    BTSBTS

    BSCBSC

    MSCMSC

    OMC - NMC TMN

    OMC - NMC TMN

    HLRHLR

    VLRVLR

    Flux data interne

    Ondes radio

    Echanges de SMS

    OTA SMSCSMSC

    AUCAUC

    RTCPRNIS

    ME / SIM

    GMSC

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    Rapport de stage DESS MTI IAE Aix en Provence 3 Auteur Stphane GIRODON 2001-2002

    1.2 Les quipements dun rseau GSM Nom Signification Fonction BTS Base Transceiver Station Station de base rceptionnant les appels entrant et sortant des ME. BSC Base Station Controller Contrleur des stations de base. MSC Mobile Switching Centre Commutateur de rseau.

    HLR Home Location Register Base de donnes sur lidentit et la localisation des abonns.

    AUC Authentification Center Centre dauthentification des terminaux sur le rseau.

    VLR Visitor Location Register Base de donnes sur les visiteurs du rseau.

    OMC Operation and Maintenance Centre

    Centre dexploitation et de maintenance du rseau de loprateur. Ici nous avons regroup lensemble des lments de maintenance de la partie 1.5 OSS.

    ME Mobile Equipment Terminal de labonn.

    SIM Sim Identity Module Carte SIM identifiant labonn sur un rseau dfini.

    Ce tableau dcrit rapidement les diffrents composants du rseau. Les points 1.3 1.4 et 1.5

    expliquent les fonctions des composants des trois sous-ensembles du rseau GSM.

    NB : On parle en rseau GSM de deux types de rseaux, les rseaux 900 et 1800 MHz. En France le rseau 900 est le rseau adopt par France Tlcoms (Itinris devenu Orange) et par SFR, on

    parle de GSM 900. le rseau 1800 est le rseau adopt par Bouygues Tlcoms, on parle de DCS

    1800.

    1.3 Architecture matrielle du sous systme radio BSS Le BSS comprend les BTS qui sont des metteurs-rcepteurs ayant un minimum dintelligence et les

    BSC qui contrlent un ensemble de BTS et permettent une premire concentration des circuits.

    1.3.1 Fonctions de la BTS

    La BTS est un ensemble dmetteurs-rcepteurs appels TRX.

    La BTS a pour fonction la gestion des transmissions radios (modulation, dmodulation, galisation,

    codage et correcteur derreurs).

    La BTS gre la couche physique des rseaux.

    Lexploitation des donnes recueillies par la BTS est ralise par le BSC.

    La BTS gre la couche liaison de donnes pour lchange de signalisation entre les mobiles et

    linfrastructure rseau de loprateur.

    La BTS gre ensuite la liaison de donnes avec le BSC.

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    Rapport de stage DESS MTI IAE Aix en Provence 4 Auteur Stphane GIRODON 2001-2002

    La capacit maximale dune BTS est de 16 porteuses (limite technique rarement atteinte pour des

    raisons de fiabilit). Ainsi une BTS peut grer au maximum une centaine de communications

    simultanes.

    On distingue deux types de BTS :

    Les BTS dites normales 1

    Les micro-BTS 1 1 Sont ensuite distingues diffrentes classes de BTS normales et micro, en fonction de la nature du

    rseau (GSM 900 ou DCS 1800) et de la puissance recherche (puissance exprime en W).

    Les BTS normales sont les stations de base classiques utilises dans les systmes cellulaires avec

    des quipements complmentaires installs dans des locaux techniques et des antennes sur les

    toits.

    Les micro-BTS sont utilises pour couvrir les zones urbaines denses avec des micro cellules. Il

    sagit dquipements de faible taille, de faible cot qui permettent de mieux couvrir un rseau dense

    comme le quartier dune ville forte affluence.

    Le rayon dune cellule varie entre 200m en milieu urbain et 30 km en milieu rural. Une cellule est au

    minimum couverte par la triangulation de trois BTS. Lexploitation de la BTS se fait soit en local soit

    par tlcommande au travers de son contrleur de station (BSC).

    1.3.2 Fonctions du BSC

    Le BSC est lorgane intelligent du sous systme radio. Le contrleur de stations de base gre une

    ou plusieurs stations et remplit diffrentes fonctions de communication et dexploitation.

    Pour le trafic abonn venant des BTS, le BSC jour un rle de concentrateur. Il a un rle de relais

    pour les alarmes et les statistiques manant des BTS vers le centre dexploitation et de maintenance

    Pour le trafic issu du concentrateur le BSC joue le rle daiguilleur vers la station de base

    destinataire. Le BSC est une banque de donnes pour les versions logicielles et les donnes de

    configuration tlcharges par loprateur sur les BTS.

    Le BSC pilote enfin les transferts entre deux cellules ; il avise dune part la nouvelle BTS qui va

    prendre en charge labonn mobile tout en informant le back end system ici le HLR de la

    nouvelle localisation de labonn.

    Les BTS sont contactes par le centre de maintenance et dexploitation (voir partie 1.5) par le

    biais des BSC qui joue ce rle de relais.

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    OMCNMCTMN

    HLR

    AUC

    INFORMATIONS STATIQUES Description abonnements Options souscrites Services Dtail de labonn Droits

    INFORMATIONS DYNAMIQUES Dernire localisation (cellule, ville) Nature du terminal (tlphone) Etat

    GMSC

    OMCNMCTMN

    HLR

    AUC

    INFORMATIONS STATIQUES Description abonnements Options souscrites Services Dtail de labonn Droits

    INFORMATIONS DYNAMIQUES Dernire localisation (cellule, ville) Nature du terminal (tlphone) Etat

    GMSC

    OMCNMCTMN

    OMCNMCTMN

    HLRHLR

    AUCAUC

    INFORMATIONS STATIQUES Description abonnements Options souscrites Services Dtail de labonn Droits

    INFORMATIONS DYNAMIQUES Dernire localisation (cellule, ville) Nature du terminal (tlphone) Etat

    GMSC

    1.4 Architecture matrielle du sous systme fixe NSS Le NSS comprend des bases de donnes et des commutateurs.

    1.4.1 Fonctions du HLR

    Le HLR est une base de donnes de localisation et de caractristiques des abonns. Un rseau

    peut possder plusieurs HLR selon des critres de capacit de machines, de fiabilit et

    dexploitation. Le HLR est lenregistreur de localisation nominale par opposition au VLR (voir partie

    1.4.3) qui est lenregistreur de localisation des visiteurs.

    Ce schma dcrit les

    informations gres par le

    HLR. Une base de donnes

    qui conserve des donnes

    statiques sur labonn et qui

    administre des donnes

    dynamiques sur le

    comportement de labonn.

    Les informations sont ensuite

    exploites par lOMC (voir

    partie 1.5.5).

    LAUC est une base de

    donnes associe au HLR.

    Labonn est identifi grce

    sa carte SIM qui transmet deux informations importantes. LIMSI (International Mobile Subscriber

    Identity) qui est gr par le HLR (lIMSI donne des informations sur le rseau dorigine (ie. SFR) et le

    pays entre autre) et le KI (cl de cryptage) qui est gr par la base de donnes AUC (Voir partie

    1.5.4).

    Prenons un exemple avec Pierre.

    IMSI + KI Identification de labonn Pierre

    MSISDN Numro de tlphone de Pierre (Mobile Station ISDN Number)

    Le HLR vrifie que le couple IMSI + KI = MSISDN

    Le AUC vrifie que le couple IMSI + KI est valide

    Les informations dynamiques relatives ltat et la localisation dun abonn sont actualises en

    permanence. Ces informations sont particulirement utiles lorsque le rseau achemine un appel

    vers labonn.

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    Le rseau commence par interroger le HLR pour prendre connaissance de la dernire localisation

    connue, de ltat du terminal (On / Off) et de la date de ces donnes avant toute action. La mobilit

    constitue la diffrence essentielle entre le rseau filaire et le rseau de radiotlphonie.

    Ainsi sur le rseau mobile, loprateur doit interroger les diffrentes bases de donnes (HLR) afin

    de localiser un abonn pour tablir une connexion.

    1.4.2 Fonction du MSC

    Les MSC sont des commutateurs mobiles gnralement associs aux bases de donnes VLR. Le

    MSC assure une interconnexion entre le rseau mobile et le rseau fixe public. Le MSC gre

    ltablissement des communications entre un mobile et un autre MSC, la transmission des

    messages courts et lexcution du handover si le MSC concern est impliqu. (Le handover est un

    mcanisme grce auquel un mobile peut transfrer sa connexion dune BTS vers une autre

    (handover inter BTS) ou, sur la mme BTS dun canal radio vers un autre (handover intra BTS). On

    parle de transfert automatique inter/intra cellule handov notamment aux Etats Unis).

    Le commutateur est un nud important du rseau, il donne un accs vers les bases de donnes du

    rseau et vers le centre dauthentification qui vrifie les droits des abonns. En connexion avec le

    VLR (voir partie 1.4.3) le MSC contribue la gestion de la mobilit des abonns ( la localisation

    des abonns sur le rseau) mais aussi la fourniture de tous les tl services offerts par le rseau :

    voix, donnes, messageries Le MSC peut galement possder une fonction de passerelle,

    GMSC (Gateway MSC) qui est active au dbut de chaque appel dun abonn fixe vers un abonn

    mobile.

    Un couple MSC / VLR gre gnralement une centaine de milliers dabonns. Les commutateurs

    MSC sont souvent des commutateurs de transit des rseaux tlphoniques fixes sur lesquels ont

    t implant des fonctionnalits spcifiques au rseau GSM.

    1.4.3 Fonctions du VLR

    Lenregistreur de localisation des visiteurs est une base de donnes associe un commutateur

    MSC. Le VLR a pour mission denregistrer des informations dynamiques relatives aux abonns de

    passage dans le rseau, ainsi loprateur peut savoir tout instant dans quelle cellule se trouve

    chacun de ses abonns. Les donnes mmorises par le VLR sont similaires aux donnes du HLR

    mais concernent les abonns prsents dans la zone concerne.

    A chaque dplacement dun abonn le rseau doit mettre jour le VLR du rseau visit et le HLR de

    labonn afin dtre en mesure dacheminer un appel vers labonn concern ou dtablir une

    communication demande par un abonn visiteur. Pour ce faire un dialogue permanent est tablit

    entre les bases de donnes du rseau. La mise jour du HLR est trs importante puisque lorsque le

    rseau cherche joindre un abonn, il interroge toujours le HLR de labonn pour connatre la

    dernire localisation de ce dernier, le VLR concern est ensuite consult afin de tracer le chemin

    entre le demandeur et le demand pour acheminer lappel.

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    Rapport de stage DESS MTI IAE Aix en Provence 7 Auteur Stphane GIRODON 2001-2002

    1.5 Sous systme dexploitation et de maintenance OSS

    1.5.1 Ladministration de rseau

    Ladministration du rseau comprend toutes les activits qui permettent de mmoriser et de

    contrler les performances dutilisation et les ressources de manire offrir un niveau correct de

    qualit aux usagers.

    On distingue 5 fonctions dadministrations :

    Ladministration commerciale La dclaration des abonns et des terminaux, la facturation, les statistiques

    La gestion de la scurit La dtection des intrusions, le niveau dhabilitation

    Lexploitation et la gestion des performances Lobservation du trafic et de la qualit (performance), les changements de configuration pour

    sadapter la charge du rseau, la surveillance des mobiles de maintenance

    Le contrle de configuration du systme Les mise niveau de logiciels, les introductions de nouveaux quipements ou de nouvelles

    fonctionnalits

    La maintenance Les dtections de dfauts, les tests dquipements

    Le systme dadministration du rseau GSM est proche du concept TMN (Voir partie 1.5.2) qui a

    pour objet de rationaliser lorganisation des oprations de communication et de maintenance et de

    dfinir les conditions techniques dune supervision conomique et efficace de la qualit de service.

    1.5.2 Architecture de TMN (Tlcommunications Management Network)

    Ladministration des premiers rseaux se faisait de manire individuelle sur chaque quipement

    partir dun terminal simple directement connect. Ainsi les fonctions disponibles taient lies la

    structure matrielle de lquipement. Ce niveau dadministration est encore utilisable mais il est peu

    peu remplac par des terminaux dplacs et relis aux quipements par lintermdiaire dun

    rseau de donnes. Le rseau X.25 Transpac est une option possible.

    La complexit actuelle des rseaux ncessite des outils dadministration reprsentant des tats sous

    des formes conviviales ; on parle de systme dexploitation (OS Operating System). Ce niveau

    dadministration globale doit tre indpendant des quipements. Il est donc ncessaire dintgrer

    des quipements de mdiation entre les quipements du rseau et le systme dexploitation. Ceux

    ci ont pour objet de prsenter sous des formes standardises les diffrents lments du rseau et

    de dialoguer avec le systme dexploitation par un protocole standard. Ce sont des tableaux de

    surveillance (tableaux de bord).

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    1.5.3 Fonctions de lEIR (Equipement Identity register)

    LEIR est une base de donnes annexe contenant les identits des terminaux. Un terminal est

    identifi par un numro de srie dnomm IMEI (IMEI = numro dhomologation (srie) . Numro didentifiant. Numro du terminal). La base EIR est consulte lors des demandes de services dun

    abonn pour vrifier si le terminal utilis est autoris fonctionner sur le rseau. Ainsi laccs au

    rseau peut tre refus si le terminal nest pas homologu, si le terminal perturbe le rseau ou si ce

    mme terminal a fait lobjet dune dclaration de vol. Dans la ralit ces bases de donnes EIR sont

    peu utilises faute daccords entre les oprateurs dun mme pays ou dEurope mme si une

    rcente initiative franaise (septembre 2001) allait dans le sens de la cration dune liste noir des

    terminaux vols pour en interdire leur utilisation et donc dcourager les vols de tlphones

    portables.

    1.5.4 Fonctions de lAUC

    Le centre dauthentification AUC (AUthentification Centre) mmorise pour chaque abonn une cl

    secrte utilise pour authentifier les demandes de services et pour chiffrer (crypter) les

    communications. LAUC de chaque abonn est associ au HLR. Pour autant le HLR fait partie du

    sous systme fixe alors que lAUC est attach au sous-systme dexploitation et de

    maintenance . LAUC avec lIMSI et le MSISDN fait partie des donnes cl insres dans la carte

    SIM de chaque abonn.

    1.5.5 Prsentation de lOMC et du NMC

    Deux niveaux de hirarchie sont dfinis dans la norme GSM. Les OMC (Operations and

    Maintenance Centre) et le NMC (Network and Management Centre). Cette organisation a t dfinie

    afin de permettre aux oprateurs tlcoms de grer la multiplicit des quipements (metteurs,

    rcepteurs, bases de donnes, commutateurs ) et des fournisseurs.

    Le NMC permet ladministration gnrale de lensemble du rseau par un contrle centralis.

    Les OMC permettent une supervision locale des quipements (BSC /MSC / VLR) et transmettent au

    NMC les incidents majeurs survenus sur le rseau. Les diffrents OMC assurent une fonction de

    mdiation.

    NB : Plus gnralement dans nos schmas prsents dans ce rapport, lOMC dsigne lensemble du sous systme dexploitation et de maintenance (OSS) TMN compris, et ce dans un souci de

    clart et de simplification des reprsentations graphiques.

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    Rapport de stage DESS MTI IAE Aix en Provence 9 Auteur Stphane GIRODON 2001-2002

    1.6 Prsentation des interfaces Les interfaces dsignes par des lettres de A H dans le tableau ci aprs ont t dfinies par la

    norme GSM. Bien souvent, le dcoupage des fonctions entre les lments du rseau (VLR et MSC)

    par exemple est effectu par les constructeurs (Ericsson, Nokia ) qui ne respectent pas forcment

    les rgles dfinies dans le tableau.

    Deux normes sont nanmoins imposes :

    Linterface D qui permet au couple MSC/VLR de dialoguer avec le HLR afin dassurer

    litinrance internationale que lon dnomme roaming . (Un abonn du rseau franais

    SFR quitte la France pour se rendre en Espagne et se connecter au rseau espagnol Airtel.

    Ce cas prsent est un cas de roaming).

    Linterface A qui spare NSS et BSS. Ainsi les oprateurs peuvent avoir un multi-sourcing

    de BSC et MSC (avoir plusieurs fournisseurs diffrents pour leur infrastructure).

    Nom Localisation Utilisation Um MS BTS Interface radio Abis BTS BSC Divers A BSC MSC Divers

    GMSC HLR Interrogation du HLR pour appel entrant C SM GMSC HLR Interrogation du HLR pour message court entrant

    D VLR HLR Gestion des informations dabonns et de localisation VLR - HLR Services supplmentaires E MSC SM - GMSC Transport de messages courts MSC MSC Excution des handover *

    G VLR VLR Gestion des informations des abonns

    F MSC - EIR Vrification de lidentit du terminal B MSC - VLR Divers

    H HLR AUC Echange des donnes dauthentification NB : * handover : concernant les explications sur le handover, se rfrer la partie 1.4.2 sur les fonctions du MSC.

    1.7 Architecture rseau en couches (modle OSI) La recommandation GSM tablit un dcoupage des fonctions et une rpartition de celles ci sur

    divers quipements. La structuration en couches reprend ce dcoupage en respectant la philosophie

    gnrale des couches du modle OSI.

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    1.7.1 Couches rseaux gres par le sous systme radio (BSS)

    Dans le BSS on retrouve les 3 couches de base du modle OSI :

    La couche physique dfinit lensemble des moyens de transmission et de rception

    physique de linformation.

    La couche liaison de donnes a pour objet de fiabiliser la transmission entre deux

    quipements par un protocole.

    La couche rseau a pour fonction dtablir, de maintenir et de librer des circuits commuts

    (voix ou donnes) avec un abonn du rseau fixe. Cette couche est ensuite divise en trois

    sous couches :

    o La sous couche RR (Radio Ressource) pour les aspects purement radio. Cette couche gre les slections de cellules.

    o La sous couche MM ( Mobility management) qui prend en charge la localisation, lauthentification et lallocation.

    o La sous couche CM (Connection Management) dcoupe en quatre entits : Lentit CC (Call Control) qui traite la gestion des connections de circuit

    avec le destinataire final.

    Lentit SMS (Short message Service) qui assure la transmission et la

    rception de messages courts.

    Lentit SS (Supplementary Services qui gre les services

    supplmentaires.

    Lentit GCC (Group Call Control) qui a pour objet de contrler les appels

    de groupes. (Attention seulement tlphone compatible SIM phase 2+) Lentit BCC (Broadcast Call Control) qui a pour objet de contrler les

    appels diffuss. (Attention seulement tlphone compatible SIM phase 2+)

    NB : Une entit de gestion de donnes par paquets devrait galement tre dfinie par la suite ? Ce sont des premiers pas vers lapproche GPRS.

    La couche 1 physique et la couche 2 liaison de donnes sont gres dans leur intgralit dans le

    BSS. En revanche, concernant la couche 3 rseau, seul la sous couche RR est gre au sein du

    BSS, les sous couches CM et MM ne font que transiter par l BSS sans tre analyses.

    1.7.2 Couches rseaux gres par le sous systme fixe (NSS)

    Le rseau fixe NSS que nous avons vu prcdemment regroupe ensuite les 4 couches

    complmentaires du modle OSI. Le rseau NSS en GSM est reli et gr avec le rseau RTC

    (Rseau Tlphonique Commut) rseau de tlphonie fixe initial. Les 4 couches

    complmentaires sont ainsi regroupes au sein de cet ensemble qui permet de grer les connexions

    entre abonns mobiles et abonns fixes.

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    1.8 La station mobile de lutilisateur final

    1.8.1 Le mobile

    Le terme station mobile dsigne un terminal quip dune carte SIM. Chaque terminal reste muni

    dune identit particulire IMEI (Voir partie 1.5.3 sur lEIR). La norme dfinit pour les terminaux

    plusieurs classes suivant leur puissance maximale dmission. En GSM 900, deux catgories, 2W

    en tlphone mobile portable et 8W en tlphone mobile embarqu dans les vhicules. En DCS

    1800, de manire gnrale 1W pour lensemble des terminaux.

    On parle de ME (Mobile Equipment) et de MS (Mobile System).

    1.8.2 La carte SIM

    La carte SIM telle que dfinit dans la norme GSM permet aux abonns une mobilit personnelle

    indpendante du terminal utilis. Il existe initialement deux types de cartes SIM :

    La carte SIM ID-1 : carte la taille dune carte de crdit.

    La carte SIM plug in : de petite taille. Lobjet de cette carte est dtre utilise de faon quasi

    permanente dans un terminal portatif donn.

    La carte IM contient de nombreux paramtres de scurit. Comme toute carte puce elle possde

    un ensemble de cls permettant de scuriser les tapes de personnalisation par les diffrents

    intervenants (fabricants, oprateurs, distributeurs, utilisateurs). A chaque intervenant est associ un

    code, nous connaissons le code PIN compos de 4 6 chiffres, galement appel CHIV1.

    Larchitecture dune carte SIM est simple, il y a trois parties :

    La mmoire ROM (Read Only Memory) dune taille de 16Koctets contient lOS, des

    algorithmes et ventuellement des applications spcifiques. Voir aussi NB-1.

    La mmoire EEPROM (E2 PROM Electrical erasable Programmable Read Only Memory)

    contient tous les champs de la norme GSM et des applications. Sa taille varie entre 8 KO et

    64 KO aujourdhui. Voir aussi NB-2.

    La mmoire RAM (Random Access Memory) contient des donnes lies aux applications

    spcifiques, la taille est rduite, gnralement quelques centaines doctets.

    NB 1 : LOS de la carte est intgr au sein de la mmoire ROM. Initialement proprit des SIM manufacturers, ces OS taient dvelopps en natif pour le compte des oprateurs. Aujourdhui les

    OS tendent tre dvelopps en Java, ce qui ouvre des ouvertures pour des socits souhaitant

    dvelopper des OS pour le compte de clients. Le SIM manufacturer devient alors un fabricant

    industriel de cartes qui intgre des donnes (OS) dveloppes pour une tierce partie.

    NB 2 : Les SIM manufacturers parlent essentiellement de la taille de la E2PROM pour prsenter leurs produits, on parlera ainsi de Cartes 32 Ko, 64 ko

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    www.girodon.com

    Rapport de stage DESS MTI IAE Aix en Provence 12 Auteur Stphane GIRODON 2001-2002

    Larchitecture dune carte SIM respecte une organisation interne dfinie dans la norme GSM.

    La racine est constitue par le dossier

    matre MF (Master File)

    Le fichier MF peut contenir des fichiers

    lmentaires EF (Elementary File)

    Le fichier MF contient des rpertoires

    ddis DF (Dedicated Files)

    Chaque rpertoire DF peut contenir des

    fichiers lmentaires EF.

    1.9 Conclusion sur le rseau GSM La mise en place dun rseau GSM reprsente un investissement considrable. A lheure actuelle les

    rseaux GSM ne cessent dvoluer afin dassurer une qualit de couverture toujours plus importante.

    La couverture du rseau est assure par la multiplication des ensembles BTS BSC. Nous verrons

    par la suite que le rseau GSM est une base pour la mise en place des rseaux GPRS et UMTS,

    mme si pour le rseau UMTS au-del du cot lev dachat des licences, nous verrons que

    lensemble BTS BSC MSC devra tre chang ou modifi la base. Rappelons ici rapidement

    quune BTS couvre environ 500m de zone en ville et 10 km de zone en campagne. Cela donne un

    aperu du cot et du temps ncessaires pour la mise en place de la simple architecture technique du

    mode UMTS Ci dessous un rappel de larchitecture GSM, en encadr bleu les lments de

    couverture, en ellipse bleue les lments de gestion du rseau, en ellipse bleue pointille, les

    lments du rseau GSM qui seront utiles pour les rseaux GPRS et UMTS.

    SMSC HLR AUCEIR

    MSC

    VLR

    OMC NMC TMN

    BTS

    GSM

    BSC

    ISDNPSDN

    SMSCSMSC HLRHLR AUCAUCEIREIR

    MSC

    VLR

    MSC

    VLRVLR

    OMC NMC TMN

    OMC NMC TMN

    BTSBTS

    GSMGSM

    BSCBSC

    ISDNPSDNISDNPSDN

    MF

    DF

    EF

    EF

    EF

    DF

    EF

    MF

    DF

    EF

    EF

    EF

    DF

    EF

    MF

    DF

    EF

    EF

    EF

    DF

    EF

    MFMF

    DFDF

    EFEF

    EFEF

    EFEF

    DFDF

    EFEF

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    Rapport de stage DESS MTI IAE Aix en Provence 13 Auteur Stphane GIRODON 2001-2002

    2 Infrastructure dun rseau GPRS

    2.1 Prsentation de linfrastructure dun rseau Un rseau GPRS est en premier lieu un rseau IP. Le rseau est donc constitu de routeurs IP.

    Lintroduction de la mobilit ncessite par ailleurs la prcision de deux nouvelles entits :

    Le nud de service le SGSN.

    Le nud de passerelle le GGSN.

    Une troisime entit le BG joue un rle supplmentaire de scurit.

    Le rseau GPRS vient ajouter un certain nombre de modules sur le rseau GSM sans changer

    le rseau existant. Ainsi sont conservs lensemble des modules de larchitecture GSM, nous

    verrons par ailleurs que certains modules GSM seront utiliss pour le fonctionnement du rseau

    GPRS.

    La mise en place dun rseau GPRS va permettre un oprateur de proposer de nouveaux services de type Data ses clients. Le GPRS est en mode paquets.

    Internet

    PLMN

    GGSN

    BG

    GPRS

    SGSN

    PCU

    SMSC HLR AUCEIR

    MSC

    VLR

    OMC NMC TMN

    BTS

    GSM

    BSC

    ISDNPSDN

    InternetInternet

    PLMNPLMN

    GGSN

    BG

    GPRS

    SGSN

    PCU

    GGSN

    BG

    GPRS

    SGSN GGSN

    BG

    GPRS

    SGSN

    PCU

    SMSC HLR AUCEIR

    MSC

    VLR

    OMC NMC TMN

    BTS

    GSM

    BSC

    ISDNPSDN

    SMSCSMSC HLRHLR AUCAUCEIREIR

    MSC

    VLR

    MSC

    VLRVLR

    OMC NMC TMN

    OMC NMC TMN

    BTSBTS

    GSMGSM

    BSCBSC

    ISDNPSDNISDNPSDN

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    2.2 Les quipements dun rseau GPRS

    2.2.1 Le nud de service (SGSN)

    Le nud de service dnomm SGSN (Serving GPRS Support Node) est reli au BSS (voir partie

    1.3) du rseau GSM. Le SGSN est en connection avec lensemble des lments qui assurent et

    grent les transmissions radio : BTS, BSC, HLR

    Le SGSN joue un rle de routeur, il gre les terminaux GPRS prsents dans une zone donne. Le

    SGSN est le contrleur des terminaux GPRS prsents dans sa zone de surveillance.

    2.2.2 Le nud de passerelle (GGSN)

    Le nud de passerelle GPRS dnomm GGSN ( Gateway GPRS Support Node) est reli un ou

    plusieurs rseaux de donnes (Internet, autre rseau GPRS ). Le GGSN est un routeur qui permet

    de grer les transmissions de paquets de donnes :

    Paquets entrants dun rseau externe, achemins vers le SGSN du destinataire.

    Paquets sortants vers un rseau externe, manant dun destinataire interne au rseau.

    NB : les termes SGSN et GGSN dsignent des entits fonctionnelles qui peuvent facilement tre

    implantes dans un mme matriel. Lensemble des SGSN, des GGSN, des routeurs IP et des

    liaisons entre quipements est appel rseau fdrateur GPRS. A noter enfin que chaque SGSN et

    chaque GGSN disposent au minimum dune adresse IP fixe au sein du rseau.

    .

    2.2.3 Le module BG pour la scurit

    Les recommandations introduisent le concept de BG (Border Gateway) qui permettent de connecter

    les rseaux GPRS via un rseau fdrateur et qui assurent les fonctions de scurit pour la

    connexion entre ces rseaux.

    Ces BG ne sont nanmoins pas spcifies par les recommandations mais elles jouent le rle

    dinterface avec les autres PLMN (Public Land Mobile Network) permettant ainsi de grer les

    niveaux de scurit entre les rseaux (entre 2 rseaux de 2 oprateurs concurrents par exemple

    ).

    2.2.4 Le routeur IP

    Loprateur peut prendre le parti de grer et dadministrer ses propres routeurs IP afin douvrir le

    rseau GPRS vers les rseaux de donnes externes. (voir la partie 2.5 sur lacheminement des

    donnes en mode paquet).

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    2.2.5 Le module PCU sur les BSC et le module CCU sur les BTS

    La mise en place dun rseau GPRS au contraire du rseau UMTS (Voir partie 1.3) ne ncessite pas

    de couvrir le territoire avec de nouvelles antennes puisque larchitecture GSM est rutilise.

    Nanmoins, des modifications sont apportes en ajoutant des composants sur les structures de

    couverture du rseau GSM.

    Sur les antennes les BTS est ajout un module CCU (Channel Codec Unit). Cette entit

    permet de grer les envois dinformations vers le module SGSN.

    La norme GPRS introduit galement un quipement appel PCU (Packet Control Unit)

    gnralement situ sur les BTS (comme sur notre schmas), les BSC ou le SGSN. Le PCU

    a pour fonction de grer lchancier de transmission et lacquittement des blocs sur les

    canaux de donnes.

    2.2.6 Le mobile GPRS

    Lusage attendu par le rseau GPRS est la possibilit de consulter de manire interactive des

    serveurs. Cela ncessite donc un dbit plus important sur la voie descendante que sur la voie

    montante. On parle de mobile multi-slot : le terminal doit tre en mesure de recevoir ou de

    transmettre des informations sur plusieurs intervalles de temps. Le cot engendr par ces

    contraintes techniques amne loprateur proposer ses abonns des terminaux plus onreux.

    Loprateur propose gnralement un terminal GSM GPRS capable de grer les communications

    Voix et Data des dbits acceptables.

    2.2.7 La carte SIM

    La carte SIM utilise pour laccs au rseau GPRS est une carte SIM similaire celle requise pour

    accder au rseau GSM classique. Quelques fichiers sont simplement ajouts lors de la phase de

    personnalisation chez le fabricant de cartes.

    2.3 Les quipement GSM utiliss Le rseau GPRS appuie son architecture sur les lments du rseau GSM.

    Les BTS et BSC permettent de couvrir un territoire national pour localiser les terminaux.

    Le MSV et le VLR permettent galement de grer les problmatiques ditinrance des

    abonnes sur les rseaux GSM et GPRS.

    Le SMSC et le GMSC permettent la communication interne au rseau par lenvoi de

    messages courts destination du terminal GPRS.

    Le HLR permet de grer les problmatique lies la localisation des individus (en mode

    GPRS, fournir une carte de la ville o se trouve labonn).

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    LEIR permet de grer les problmatiques lies au terminal vis (est il compatible avec les

    donnes que le rseau souhaite lui faire parvenir ?)

    Le rseau GPRS est totalement dpendant du bon fonctionnement des infrastructures du rseau

    GSM. Le rseau GSM constitue donc en effet une base pour la mise en place du rseau GPRS.

    2.4 Les interfaces rseau GPRS Nom Localisation Utilisation Protocole Um MS BTS Interface radio Abis BTS BSC Divers Gb BSC SGSN Divers

    Gc GGSN - HLR

    Interrogation HLR pour activation service

    IP / SS7

    Gd SGSN SMS-GMSC Echange de messages courts

    SS7

    Gf SGSN EIR Vrification de lidentit du terminal

    SS7

    Gi GGSN rseau de donnes Transfert de donnes IP

    Gn SGSN - SGSN Gestion de litinrance IP

    Gp BG - BG Liaison inter-oprateur IP

    Gr SGSN - HLR Gestion de la localisation SS7

    Gs SGSN MSC/VLR

    Gestion coordonnes itinrance entre GSM et GPRS

    SS7

    Lensemble des lments GSM et GPRS est associ pour fournir un service GPRS.

    Deux protocoles sont alors utiliss :

    Le traditionnel protocole IP qui assure une ouverture vers les terminaux fixes extrieurs au

    rseau (contenu, Internet).

    Le protocole SS7 (Signal Smaphore 7) qui est un protocole interne au rseau GPRS.

    2.5 Lacheminement en mode paquet

    Lorsque le mobile transmet des donnes vers un terminal fixe, les donnes sont transmises via le

    BSS (BTS + BSC) au SGSN qui envoie ensuite les donnes vers le GGSN qui les route vers le

    destinataire.

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    Rapport de stage DESS MTI IAE Aix en Provence 17 Auteur Stphane GIRODON 2001-2002

    Le routage vers des terminaux (terminal mobile vers terminal mobile ou terminal fixe vers terminal

    mobile) utilise le principe de lencapsulation et des protocoles tunnels (figures orange sur le dessin).

    Les donnes reues par le GSSN sont transmises au SGSN dont dpend le mobile destinataire.

    Ainsi des donnes recueillies en protocole IP de lextrieur via un routeur IP pourront tre

    communiques dans des paquets X25 par le principe du tunnel encapsulation dcapsulation. On

    parle de protocole PDP (Packet Data Protol), lencapsulation consiste ainsi placer une unit de

    protocole A dans une unit de protocole B sans que ce dernier ne se proccupe du format des

    donnes transportes.

    2.6 Les apports du rseau GPRS Le GPRS peut finalement tre vu comme un rseau de donnes part entire qui dispose dun

    accs radio tout en rutilisant une partie du rseau GSM. Les dbits prvus permettent denvisager

    des applications comme la consultation de sites Internet ou le transfert de fichiers en mode FTP

    (File Transfert Protocole).

    Dans la premire version du GPRS seul un service de transmission de point point (PTP Point To

    Point) sera propos. Une information envoye par un terminal vers un terminal.

    Les services points multi-points (PTM Point To Multipoint) une information envoye dun

    agrgateur de contenu vers 10 0000 terminaux - seront ensuite proposs des communauts ou

    des zones gographiques. On parle de PTP Braodcast.

    GPRS offre enfin un service de messageries entre les terminaux.

    BTS BSC

    SGSN

    GGSNRseau fdrateur GPRSRseau

    De donnes

    Encapsulation

    Dcapsulation

    BTS BSC

    SGSN

    GGSNRseau fdrateur GPRSRseau

    De donnes

    Encapsulation

    Dcapsulation

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    2.7 La gestion de litinrance La gestion de litinrance reprend les principes du rseau GSM avec le regroupement de cellules en

    zones. Le terminal GPRS peut se trouver dans trois modes :

    Etat de repos , le mobile est teint.

    Etat de surveillance , le mobile est localis au niveau de la zone de routage *. Le mobile

    peut tre appel par le SGSN.

    Etat prt , le mobile est localis au niveau de la cellule. Le mobile peut recevoir des

    informations ; dans cet tat le terminal est localisable la cellule prs.

    * zone de routage : regroupement de cellules (cellules rseau GSM) en zones.

    En tat de surveillance puis de prt , le terminal ne monopolise pas de canal radio sil ny a

    pas de transmission ou de rception de donnes.

    La base de donnes HLR - en communiquant avec le module SGSN - gre les identits des

    abonns en ajoutant de nouveaux lments par rapport au mode GSM comme le protocole rseau

    utilis ou le terminal acquis.

    2.8 La gestion des sessions Un mobile GPRS peut grer diffrents protocoles rseaux ; de mme lusager peut ouvrir plusieurs

    sessions pour accder plusieurs services simultanment sur un mme terminal.

    Le rseau GPRS dfinit la notion de contexte PDP o sont enregistres lensemble des

    donnes relatives une session stocke dans le mobile, le SGSN ou le GGSN. Un contexte PDP

    contient ainsi :

    Le type de rseau utilis (X.25, IP )

    Ladresse du terminal retenue

    Ladresse IP du SGSN grant la zone o se trouve lindividu

    Le point daccs au service

    La qualit de service ngocie

    Ainsi lorsque labonn au moyen de son mobile appelle plusieurs services, plusieurs sessions sont

    gnres crant plusieurs environnement PDP. Lenvironnement PDP pourra tre cr par le rseau

    (pour des donnes manant de lextrieur destination dun abonn) ou par le terminal (pour des

    donnes manant de labonn vers lextrieur ou vers un autre abonn).

    Revoir partie 2.5 sur lacheminement des donnes si ncessaire.

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    Rapport de stage DESS MTI IAE Aix en Provence 19 Auteur Stphane GIRODON 2001-2002

    2.9 Conclusion sur les rseaux GPRS Le service GPRS permet de considrer le rseau GSM comme un rseau transmission de

    donnes par paquets avec un accs radio et des terminaux mobiles. Le rseau GPRS est

    compatible avec des protocoles IP et X.25. Des routeurs spcialiss SSGN et GGSN sont introduits

    sur le rseau.

    La transmission par paquet sur la voie radio permet dconomiser la ressource radio : un terminal

    est susceptible de recevoir ou dmettre des donnes tout moment sans quun canal radio soit

    monopolis en permanence comme cest le cas en rseau GSM.

    Le dbit maximal instantan annonc pour le GPRS est de 171.2 Kbit/s mme sil est limit 48

    Kbit/s en mode descendant. (limite actuelle des terminaux GPRS).

    Le mise en place dun rseau GPRS permet un oprateur de proposer de nouveaux services de

    type Data avec un dbit de donnes 5 10 fois suprieur au dbit maximum thorique dun rseau

    GSM. (Rappel dbit max. en GSM : 9.6 Kbit/s).

    Le rseau GPRS constitue finalement une tape vers le rseau UMTS.

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    Rapport de stage DESS MTI IAE Aix en Provence 20 Auteur Stphane GIRODON 2001-2002

    3 Infrastructure dun rseau UMTS

    3.1 Prsentation de linfrastructure dun rseau

    Le rseau UMTS vient se combiner aux rseaux dj existants.

    Les rseaux existant GSM et GPRS apportent des fonctionnalits respectives de Voix et de Data ; le

    rseau UMTS apporte ensuite les fonctionnalits Multimdia.

    Il est important de noter deux lments :

    Le cot lev de la mise en place dun systme UMTS (achat licence + modification

    majeures sinon totales des lments de base du rseau (station / antenne) rpartis de

    manire massive sur un territoire national).

    La difficult dfinir avec prcision larchitecture dun futur rseau UMTS dans la mesure o

    le 3GPP et lUMTS Forum (se rfrer la bibliographies pour dtail sur ces organisations)

    travaillent encore aujourdhui la dfinition des normes et des spcifications techniques.

    La mise en place dun rseau UMTS va permettre un oprateur de complter son offre existante par lapport de nouveaux services en mode paquet compltant ainsi les rseaux GSM et GPRS.

    RNC

    Node BUMTS

    SMSC HLR AUCEIR

    MSC

    VLR

    OMC NMC TMN

    BTS

    GSM

    BSC

    ISDNPSDN

    Internet

    PLMN

    GGSN

    BG

    GPRS

    SGSN

    PCU

    RNCRNC

    Node BNode BUMTSUMTS

    SMSC HLR AUCEIR

    MSC

    VLR

    OMC NMC TMN

    BTS

    GSM

    BSC

    ISDNPSDN

    SMSCSMSC HLRHLR AUCAUCEIREIR

    MSC

    VLR

    MSC

    VLRVLR

    OMC NMC TMN

    OMC NMC TMN

    BTSBTS

    GSMGSM

    BSCBSC

    ISDNPSDNISDNPSDN

    Internet

    PLMN

    GGSN

    BG

    GPRS

    SGSN

    PCU

    InternetInternet

    PLMNPLMN

    GGSN

    BG

    GPRS

    SGSN

    PCU

    GGSN

    BG

    GPRS

    SGSN GGSN

    BG

    GPRS

    SGSN

    PCU

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    Rapport de stage DESS MTI IAE Aix en Provence 21 Auteur Stphane GIRODON 2001-2002

    3.2 Les quipements dun rseau La mise en place du rseau UMTS implique la mise en place de nouveaux lments sur le rseau

    3.2.1 Le Node B

    La Node B est une antenne. Rparties gographiquement sur lensemble du territoire, les Nodes B

    sont au rseau UMTS ce que les BTS sont au rseau GSM. Les Node B grent la couche physique

    de linterface radio. Le Node B rgit le codage du canal, lentrelacement, ladaptation du dbit et

    ltalement.

    Les Node B communiquent directement avec le mobile sous linterface dnomme Uu.

    3.2.2 Le RNC (Radio Network Controller)

    Le RNC est un contrleur de Node B. Le RNC est encore ici lquivalent du BCS dans le rseau

    GSM.

    Le RNC contrle et gre les ressources radio en utilisant le protocole RRC (Radio Ressource

    Control) pour dfinir procdures et communication entre mobiles (par lintermdiaire des Node B) et

    le rseau.

    Le RNC sinterface avec le rseau pour les transmissions en mode paquet et en mode circuit.

    Le RNC est directement reli un Node B, il gre alors :

    Le contrle de charge et de congestion des diffrents Node B.

    Le contrle dadmission et dallocation des codes pour les nouveaux liens radio (entre dun

    mobile dans la zone de cellules gres ).

    Il existe deux types de RNC :

    Le Serving RNC qui sert de passerelle vers le rseau.

    Le Drift RNC qui a pour fonction principale le routage des donnes.

    NB : Lensemble des Node B et des RNC constitue lquivalent de la sous architecture BSS vue prcdemment en rseau GSM. En rseau UMTS, on parlera de sous architecture UTRAN.

    3.2.3 La carte USIM

    La carte USIM assure la scurit du terminal et la confidentialit des communications. Des

    algorithmes de cryptage cls publiques sont utiliss. Un certain nombre de possibilits sont

    prvues pour les cartes USIM de troisime gnration. Par exemple, la dtection des fausses

    stations de base, lutilisation de cls de cryptage plus longues (notamment pour le m-commerce) ou

    encore la protection des donnes didentit de labonn et de son terminal.

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    Rapport de stage DESS MTI IAE Aix en Provence 22 Auteur Stphane GIRODON 2001-2002

    RNC

    RNC

    MSC

    VLR

    GGSNSGSN

    GMSC

    HLR

    Internet

    PLMN

    ISDNPSDN

    Auteur : Stphane GIRODON 06-2002

    Node B

    USIM

    Handset

    Domaine circuit . Domaine paquet .

    La carte USIM est lquivalent en 3G de la carte SIM en 2G. les fabricants de cartes travaillent

    aujourdhui sur une carte bi mode GSM / UMTS permettant un accs aux deux rseaux par

    activation / dsactivation des modes 2G ou 3G.

    3.2.4 Le Mobile

    Les technologies de linformatique et des tlcommunications se rapprochent par lintgration de

    systme dexploitation et dapplications sur les terminaux UMTS. Les terminaux sadapteront sur

    diffrents rseaux et devront tre capables de fonctionner sur quatre environnements :

    Dans une zone rurale,

    Dans des espaces urbains,

    Dans un btiment,

    Avec un satellite.

    Le terminal utilisera ainsi les rseaux GSM / GPRS / UMTS pour une couverture nationale tout en

    faisant appel aux rseaux de satellites pour une couverture mondiale si ncessaire. Le terminal sera

    quip dun navigateur, une volution du browser WAP prsent dans le systme GSM actuel.

    3.3 Utilisation des architectures rseaux existantes Le rseau cur de lUMTS sappuie sur les lments de base du rseau GSM et GPRS.

    Le rseau cur est en charge de la commutation et du routage des communications (voix et

    donnes) vers les rseaux externes. Dans un premier temps le rseau UMTS devrait sappuyer sur

    le rseau GPRS.

    Le rseau cur se dcompose en deux parties : le domaine circuit dans un premier temps et le

    domaine paquet.

  • Rseaux GSM, GPRS, UMTS. Architecture volutive pour une stratgie services. Juin 2002

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    Rapport de stage DESS MTI IAE Aix en Provence 23 Auteur Stphane GIRODON 2001-2002

    3.3.1 Le domaine circuit

    Le domaine circuit permettra de grer les services temps rels ddis aux conversations

    tlphoniques (vido-tlphonie, jeux vido, streaming, applications multimdia). Ces applications

    ncessitent un temps de transfert rapide. Lors de lintroduction de lUMTS le dbit du mode domaine

    circuit sera de 384 Kbits/s. Linfrastructure sappuiera alors sur les principaux lments du rseau

    GSM : MSC/VLR (bases donnes existantes) et le GMSC afin davoir une connexion directe vers le

    rseau externe.

    NB : Dfinition de streaming : envoi de flux continu dinformations qui seront traites instantanment avec la possibilit dafficher les donnes avant que lintgralit du fichier ne soit tlcharg, lobjectif

    tant de gagner en rapidit.

    3.3.2 Le domaine paquet

    Le domaine paquet permettra de grer les services non temps rels. Il sagit principalement de la

    navigation sur lInternet, de la gestion de jeux en rseaux et de laccs/utilisation des e mails. Ces

    applications sont moins sensibles au temps de transfert, cest la raison pour laquelle les donnes

    transiteront en mode paquet. Le dbit du domaine paquet sera sept fois plus rapide que le mode

    circuit, environ 2Mbits/s. Linfrastructure sappuiera alors sur les principaux lments du rseau

    GPRS : SGSN (bases de donnes existantes en mode paquet GPRS, quivalent des MSC / VLR en

    rseau GSM) et le GGSN (quivalent du GMSC en rseau GSM) qui jouera le rle de commutateur

    vers le rseau Internet et les autres rseaux publics ou privs de transmission de donnes.

    3.4 Les apports du rseau UMTS Le rseau UMTS permettra loprateur de proposer ses abonns des services innovants.

    Le GSM rpond aux attentes en terme de communication de type Voix et le rseau GPRS rpondra

    aux attentes en terme dchange de Data en complment du rseau GPRS. Lavnement des

    rseaux UMTS sera lre du multimdia portable. Nous verrons en Partie 2 de ce rapport quels

    types de services pourront tre proposs (vido, jeux ) aux utilisateurs finaux.

    3.5 Migration vers le tout IP A terme lobjectif est de faire migrer le rseau cur UMTS vers une solution complte IP (Internet

    Protocole) condition dapporter des solutions aux problmes de lIP en terme de qualit de service

    (en particulier sur des temps de transfert convenables ). Il y a fort parier que les oprateur

    migreront vers un rseau unique (domaine paquet et domaine circuit runis) lorsque la Voix pourra

    tre transmise par le biais du protocole IP.

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    3.6 Partage des infrastructures UMTS Cette partie a t rdige en consultant les documents recommands par lART pour la France.

    Cette dfinition de diffrents niveaux de partage permet de comprendre en quoi une notion de

    partage peut permettre aux oprateurs tlcoms de diminuer le cot de mise en place du rseau

    UMTS.

    Selon le GITEP TICS, le partage de sites y compris les antennes permettrait de raliser, en

    moyenne de 20 30% dconomies sur les cots dinvestissements du rseau UMTS. Une aubaine

    quand on parle de cot dachat de licence de lordre de plusieurs milliards dEuros.

    En France, LART (Autorit de Rgulation des Tlcommunications) a crit des recommandations

    concernant le partage dinfrastructures pour les rseaux de 3me gnration. En Europe, Allemagne

    et Angleterre ont galement prsent des recommandations similaires.

    5 niveaux de partage avec leur compatibilit rglementaire avec le droit des tlcommunications ont

    t dfinis :

    Dnomination Prcisions Niveau 1 Sites et lments passifs Niveau 2 Antennes Niveau 3 Stations de Base Node B Niveau 4 Radio Network Controllers RNC Niveau 5 Elments de cur du rseau MSC/VLR ou SGSN Non partag GMSC / GGSN / HLR

    Niveau 1 Lutilisation commune pour plusieurs oprateurs de tout ou partie des lments passifs

    dinfrastructure : sites, gnie civil, locaux techniques et servitudes, pylnes, alimentation lectrique,

    climatisation

    Niveau 2 Ce niveau se dfinit par la mise en commun, en complment des lments passifs du site

    radiolectrique, de lantenne et de lensemble de la connectique associe.

    Niveau 3 Le partage des stations de base est possible sous respect de deux contraintes

    Chaque oprateur doit garder le contrle du Node B afin de pouvoir exploiter en toute

    indpendance les frquences qui lui ont t attribues.

    Loprateur reste propritaire des quipements actifs de la station de base, en particulier sur

    les dispositifs dmission / rception sur la voie radio.

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    Niveau 4 Le partage des RNC est possible ds lors quil saccompagne du maintien dun contrle logique sur le

    RNC de chacun des oprateurs indpendamment lun de lautre. Loprateur reste matre de :

    Lallocation et de loptimisation de la ressource radio.

    La gestion de la mobilit et le contrle des paramtres de handover.

    Niveau 5 Il est possible de mutualiser les commutateurs (MSC) et les routeurs (SGSN) du rseau fixe de

    loprateur mais lART exclue toute solution sur le partage des infrastructures conduisant une mise

    en commun des frquences entre oprateurs.

    Le partage gographique consiste en une solution o les oprateurs saccordent sur des

    dploiements complmentaires dans certaines zones gographiques en mettant en uvre des

    accords ditinrance au sein de ces rgions de faon offrir une couverture globale leurs clients.

    Attention, le partage gographique est possible dun point de vue rglementaire mais la couverture

    ainsi induite par itinrance sur le rseau dun partenaire ne peut tre prise en compte par un

    oprateur pour remplir ses obligations de couverture.

    En conclusion ce partage des infrastructures entre oprateurs tlcoms permet aux oprateurs de

    rduire les cots dinvestissement condition de respecter le Droit des Tlcommunications propre

    chaque tat. Par ailleurs chaque oprateur devient alors un MVNO (Mobile Virtual Network Operator)

    sur des infrastructures partages. Cette situation de partage peut galement amener de nouveaux

    entrants sur le march. Ainsi le cas Virgin Mobile (MVNO anglais) pourrait se multiplier dans le futur

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    3.7 Conclusion sur le rseau UMTS

    Le rseau UMTS est complmentaire aux rseaux GSM et GPRS. Le rseau GSM couvre les

    fonctionnalits ncessaires aux services de type Voix en un mode circuit, le rseau GFPRS apporte

    les premires fonctionnalits la mise en place de services de type Data en mode paquets, et

    lUMTS vient complter ces deux rseaux par une offre de services Voix et Data complmentaires

    sur un mode paquet.

    LUMTS est ainsi une extension du GPRS et fonctionne galement en mode paquet. La vitesse de

    transmission offerte par les rseaux UMTS atteint 2 Mb/s. Linfrastructure UMTS permet

    llargissement des frquences ainsi que la modification du codage des donnes. Mais les

    investissements en architecture rseau sont consquentes puisque le mode de communication

    entre les terminaux 3G et les BTS (appel Node B) est diffrent. Les modifications matrielles sont

    trs importantes.

    Aprs le GSM le rseau GPRS constituait finalement une tape vers le rseau UMTS. Sur le plan

    technique, les architectures des trois rseaux GSM, GPRS et UMTS sont complmentaires et

    interconnectes afin doptimiser la qualit de service rendue labonn.

    Nous verrons dans la Partie 2 de ce dossier lvolution en terme de services de la 2G le GSM

    vers la 3G lUMTS en passant par la 2.5G le GPRS. Nous analyserons galement lvolution

    des acteurs du march et de la stratgie des oprateurs tlcoms.

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    Rseaux GSM, GPRS et UMTS...............................................................................................1 1 Infrastructure dun rseau GSM................................................................................2

    1.1 Prsentation de linfrastructure dun rseau....................................................................... 2 1.2 Les quipements dun rseau GSM ................................................................................... 3 1.3 Architecture matrielle du sous systme radio BSS .......................................................... 3

    1.3.1 Fonctions de la BTS ................................................................................................... 3 1.3.2 Fonctions du BSC....................................................................................................... 4

    1.4 Architecture matrielle du sous systme fixe NSS............................................................. 5 1.4.1 Fonctions du HLR....................................................................................................... 5 1.4.2 Fonction du MSC........................................................................................................ 6 1.4.3 Fonctions du VLR ....................................................................................................... 6

    1.5 Sous systme dexploitation et de maintenance OSS ....................................................... 7 1.5.1 Ladministration de rseau ......................................................................................... 7 1.5.2 Architecture de TMN (Tlcommunications Management Network).......................... 7 1.5.3 Fonctions de lEIR (Equipement Identity register) ...................................................... 8 1.5.4 Fonctions de lAUC..................................................................................................... 8 1.5.5 Prsentation de lOMC et du NMC ............................................................................. 8

    1.6 Prsentation des interfaces ................................................................................................ 9 1.7 Architecture rseau en couches (modle OSI) .................................................................. 9

    1.7.1 Couches rseaux gres par le sous systme radio (BSS)..................................... 10 1.7.2 Couches rseaux gres par le sous systme fixe (NSS)....................................... 10

    1.8 La station mobile de lutilisateur final................................................................................ 11 1.8.1 Le mobile .................................................................................................................. 11 1.8.2 La carte SIM ............................................................................................................. 11

    1.9 Conclusion sur le rseau GSM......................................................................................... 12

    2 Infrastructure dun rseau GPRS............................................................................13 2.1 Prsentation de linfrastructure dun rseau..................................................................... 13 2.2 Les quipements dun rseau GPRS ............................................................................... 14

    2.2.1 Le nud de service (SGSN) .................................................................................... 14 2.2.2 Le nud de passerelle (GGSN)............................................................................... 14 2.2.3 Le module BG pour la scurit ................................................................................. 14 2.2.4 Le routeur IP ............................................................................................................. 14 2.2.5 Le module PCU sur les BSC et le module CCU sur les BTS.................................. 15 2.2.6 Le mobile GPRS....................................................................................................... 15 2.2.7 La carte SIM ............................................................................................................. 15

    2.3 Les quipement GSM utiliss........................................................................................... 15 2.4 Les interfaces rseau GPRS............................................................................................ 16 2.5 Lacheminement en mode paquet .................................................................................... 16

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    2.6 Les apports du rseau GPRS........................................................................................... 17 2.7 La gestion de litinrance.................................................................................................. 18 2.8 La gestion des sessions ................................................................................................... 18 2.9 Conclusion sur les rseaux GPRS ................................................................................... 19

    3 Infrastructure dun rseau UMTS............................................................................20 3.1 Prsentation de linfrastructure dun rseau..................................................................... 20 3.2 Les quipements dun rseau .......................................................................................... 21

    3.2.1 Le Node B................................................................................................................. 21 3.2.2 Le RNC (Radio Network Controller) ......................................................................... 21 3.2.3 La carte USIM........................................................................................................... 21 3.2.4 Le Mobile .................................................................................................................. 22

    3.3 Utilisation des architectures rseaux existantes .............................................................. 22 3.3.1 Le domaine circuit..................................................................................................... 23 3.3.2 Le domaine paquet................................................................................................... 23

    3.4 Les apports du rseau UMTS........................................................................................... 23 3.5 Migration vers le tout IP.................................................................................................... 23 3.6 Partage des infrastructures UMTS ................................................................................... 24 3.7 Conclusion sur le rseau UMTS....................................................................................... 26