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8/12/2019 Ac RE56 32 GSM Interface Radio
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Interface radio GSM
Cours RE56 Printemps 2006
Alexandre CAMINADAUTBM - Dpartement Informatique
Alexandre CAMINADA, UTBM
2 -2006
Quest-ce que linterface radio ?
Principe : un oprateur utilise une bande de frquence fournie par linstanceofficielle (ART, ETSI, ITU)
Linterface radio (Air Interface) assure une fonction de modem en adaptant lessignaux de donnes au canal de transmission
Il gre tous les accs au rseau par la voie radio Canaux physiques : ressources physiques associes aux communications Canaux logiques : les canaux physiques remplissent plusieurs fonctions et acheminent
plusieurs catgories dinformations (donnes, paramtres, messages)
Pour un systme donn le principe est gel dans le silicium : modification coteuseet difficile aprs le dbut de la fabrication
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3 -2006
Plan
1.Mthodes daccs au rseau2. La transmission
3. Les canaux logiques
4. Connexion au rseau
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4 -2006
Accs avec multiplexage dinformations
Laccs au rseau ncessite de grer des informations indpendantessur le canal de transmission
Accs simultan de plusieurs terminaux : mthodes daccs multiple Sparer les voies DL et UL pour un terminal : mthodes de duplexage
Utilisation de technique de multiplexage
Principe du multiplexage Accs = mode dentre ou de connexion un rseau Multiplexage = transmission simultane dinformations indpendantes Multiplexeur = permet de raliser plusieurs circuits sur une mme liaison Circuit = association de 2 voies de transmission de sens oppos
1/ Mthodes daccs
2/ La t ransmission
3/ Les canaux logiques
4/ Connexion au rseau
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5 -2006
Mthodes daccs
La diffusion : exploiter les caractristiques du mdium
Voie balise (BCCHBroadCast CHannel) Dtection dune porteuse (la BTS est en mission permanente sur ce canal) Identification des cellules ; sert de reprage pour les mobiles Synchronisation (tops de synchronisation ou diffusion de compteur)
Localisation (PAGCHPAGing CHannel) Procdure de recherche des mobiles Lanc sur un appel entrant
Diffusion dinformation gnrale, de services Information pour tous les mobiles
Voie dappel (TCH Traffic CHannel) Appel personnalis, appel bilatral
1/ Mthodes daccs
2/ La t ransmission
3/ Les canaux logiques
4/ Connexion au rseau
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6 -2006
Modes de multiplexage
Multiplexage frquentiel (Frequency Division Multiplexing) Une frquence porteuse sert moduler une information ; les porteuses sont
superposes sur le support physique ; pas de synchronisation entre les signaux Transmission analogique : 30 canaux TV entre 40-300MHz ; 10 000 voies
tlphoniques sur un cble coaxial entre 4-60MHz Transmission digitale : multiplexage en longueur donde (WDM Wave Division
Multiplexing) dans les rseaux optiques ; porteuses de frquences optiques distinctes
Multiplexage temporel (Time Division Multiplexing) Sur une frquence porteuse, cration dintervalles de temps par information ; chaque
info utilise toujours la mme place ; les signaux sont chantillonns et synchroniss Transmission analogique : TV avec transmission successive de signal vido et de
synchronisation Transmission digitale : tlphonie numrique MIC 30 voies ; le dbit par voie est
constant
1/ Mthodes daccs
2/ La t ransmission
3/ Les canaux logiques
4/ Connexion au rseau
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7 -2006
Mthodes daccs multiple
La technique daccs multiple partage la liaison entre plusieurs sources outerminaux indpendants
Station de base : ensemble dmetteurs/rcepteurs Terminal ou station mobile : 1 metteur/rcepteur
3 techniques de dcoupage du canal radio Partage en frquences
1re gnration de rseaux mobiles FDMAFrequency Division Multiple Access
Partage en temps 2me et 3me gnration de rseaux mobiles
TDMA Time Division Multiple Access Partage par les codes
2me et 3me gnration de rseaux mobiles CDMA Code Division Multiple Access
1/ Mthodes daccs
2/ La t ransmission
3/ Les canaux logiques
4/ Connexion au rseau
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8 -2006
Mthode daccs multiple FDMA (analogique)
FDMA : partage en frquences La bande est dcoupe en plusieurs porteuses Une communication utilise une frquence en permanence Ncessite autant de frquences que de communications tablir
Canal = 1 frquence pour UL/DL ou 2 frquences spares
Utilisation : rseaux mobiles analogiques 1re gnration (RADIOCOM2000)
t
f
} Porteuse module
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9 -2006
Mthode daccs multiple TDMA (numrique)
TDMA : partage en temps dune frquence Une communication utilise une frquence sur un intervalle de temps (Time Slot) Une trame TDMA est une priode correspondant un ensemble de slots Synchronisation des paquets dinformation
Ncessite autant de frquences*intervalles que de communications tablir Demi-dbit = occupation dun slot toutes les 2 trames (codeur de parole plus performant)
Canal = 2 slots sur 1 frquence pour UL/DL ou 2 frquences spares
Utilisation : rseaux mobiles numriques 2me gnration (GSM, PDC, D-AMPS)
t
f
Trame TDMA
burst2
Time slot
burst2
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10- 2006
Multiplexage temporel du GSM
Dcoupage frquentiel GSM 900MHz (124 paires) ; GSM tendu (174 paires) ; DCS 1800MHz (374 paires)
Dcoupage temporel 8 intervalles de temps (Time Slot) par trame TDMA 0,577 ms par TS => 4,615 ms par TDMA Chaque trame est numrote : FN (Frame Number)
Utilisation Canal = 1 intervalle dans 1 trame sur 1 frquence pour 1 sens (DL ou UL) Chaque communication prend 1 intervalle par trame (mode plein dbit Full Rate) ou
toutes les 2 trames (mode demi-dbitHalf Rate)
Dbit Portion de signal mis dans un TS (burst) = 148 bits Une trame = 1184 bits Temps de garde (quivalent quelques bits) la fin de chaque burstpour viter les
recouvrements entre paquets au rcepteur
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3/ Les canaux logiques
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11- 2006
Mthode daccs multiple TDMA du GSM
FH-TDMA : changement de frquences chaque dcoupage temporel Saut de frquences lent (Slow Frequency Hopping) : 1 frquence diffrente par burst Une communication utilise alatoirement lensemble des frquence disponibles (900MHz ou-
exclusif 1800MHz) sur les intervalles de temps => squence de saut
Squence de saut : cyclique (lesNfrquences sont utilises en ordre rgulier) ou pseudo-alatoire (priode de la squence N)
Canal = 1 intervalle sur 1 ensemble de frquences pour 1 sens (DL ou UL)
t
f
Trame TDMA
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2/ La t ransmission
3/ Les canaux logiques
4/ Connexion au rseau
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12- 2006
Mthode daccs multiple CDMA (numrique)
CDMA : partage par les codes Chaque signal est multipli par une squence binaire pseudo-alatoire Les squences sont non-corrles Chaque communication utilise toute la bande Le dcodage du mlange des signaux fait ressortir un signal diffrent par code
Canal = 1 squence PN (pseudo-noise) sur 1 frquence pour 1 sens (DL ou UL)
mergence 1950 : CDMA utilis pour les besoins militaires 1956 : un rcepteur Rake est propos 1961 : le problme Near/Far pour ltalement de spectre est mentionn 1978 : proposition dapplication de ltalement de spectre au cellulaire 1993 : standard amricain CDMA IS95 bande troite (2me gnration rseau mobile) 1999 : standard mondial UMTS bande large (3me gnration rseau mobile)
t
f
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13- 2006
Comparaison des modes daccs multiple
En TDMA et CDMA, la gestion des ressources est plus complexe mais offre plusde capacit
En CDMA, le contrle de la capacit est dynamique
Traitement du signalcomplexe
Contrle de puissancetemps rel
Synchronisation
Gestion des frquences
Sensible lvanouissement (fading)
Inconvnients
IS-95 troit
IMT2000 large
Satellites (Global Star)
Capacit thoriqueimportante
Pas de gestion desfrquences
Pas dvanouissement
CDMA (large bande)
GSM moyen
DECT large
IS-54 troite
Satellites
Capacit
Souple
TDMA (bande moyenne)
Analogique (1G)SimpleFDMA (bande troite)
SystmesAvantagesMultiplexage
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14- 2006
Modes de transmission bidirectionnelle
TDD Time Division Duplex (mode duplexaltern ouHalf duplex)
1 sous-bande unique ; utilisation desfrquences des instants distincts
Les 2 slots de voies DL et UL sont sur lamme porteuse mais des instantsdiffrents
FDDFrequency Division Duplex (modeduplex intgral ouFull duplex)
2 sous-bandes gales et spares pour DLet UL ; facilite la sparation des voies
Les 2 slots de voies DL et UL sont surdes porteuses diffrentes
Lcart entre la frquence DL et UL estconstant (cart Duplex)
t
f
Trame TDMA
C1
TDD
t
f
Trame TDMA
C1
C2
FDD
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17- 2006
Plan
1. Mthodes daccs au rseau
2.La transmission3. Les canaux logiques
4. Connexion au rseau
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18- 2006
Un canal physique porte le signal
Canal frquentiel Correspond une porteuse module qui occupe le centre dune bande de largeur fixe
12,5KHz en RADIOCOM2000 (1G)
200KHz en GSM (2G)
5MHz en UMTS (3G)
Canal duplex
Comprend 2 parties (pas recevoir et mettre simultanment sur la mme frquence) Voie descendante ouDownLinkouDL : transmission de BS vers MS Voie montante ou UpLinkou UL : transmission de MS vers BS
Canal (physique) 1 canal = ressource (frquences, temps, codes) utilise pour porter une communication
duplex (bilatrale) entre la station de base et le mobile (norme CCITT)
Supporte la signalisation : communications effectues par le systme Supporte le trafic : communications effectues par lusager
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4/ Connexion au rseau
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19- 2006
La chane de transmission
SIGNAL DE PAROLE
CODEC : codage de source
(numrisation du signal)
Entrelacement
Multiplexage et construction des bursts
Chiffrement
Modulation
Dcodeur canal : dtection
et correction des erreurs
Dsentrelacement
Dmultiplexage et extraction des champs
dinformation des bursts
Dchiffrement
Dmodulation
CODEC : reconstitution du signal analogique
Codeur canal : protection
contre les erreurs
1/ Mthodes daccs
2/ La t ransmission
3/ Les canaux logiques
4/ Connexion au rseau
PROPAGATION
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20- 2006
Constitution des trames transmettre
CODEC de parole
Codage de canal
456 bits
260 bits
0 1 2 3 4 5 6 7
slot trame TDMA (5ms)
trame de parole (20ms)
8 trames TDMA (40ms) = dure de transmission dune trame de parole
Trame de parole analogique (20ms)
Parole non protge (bloc ISO Service Data Unit)
13kbit/s (=260bits/20ms)
Parole protge
22,8kbit/s (=456bits/20ms)
8 demi-bursts (8*114/2) (bloc ISO Protocol Data Unit)
1/ Mthodes daccs
2/ La t ransmission
3/ Les canaux logiques
4/ Connexion au rseau
Entrelacement
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21- 2006
Constitution des trames transmettre
Signal analogique de parole f(t) dans un spectre [300-3400Hz] dcoup en 20ms (en IS-95 et D-AMPS aussi) Chaque 20ms est cod en bloc de 260 bits (13kbps)
Traitement du bloc numris talement de la transmission du signal de parole sur 8 burts Chaque bloc i est combin avec ses 2 voisins (i-1) et (i+1)par burst Le signal de 20ms doit tre reu compltement pour tre trait
Mme principe pour la transmission de donnes et de signalisation Service de donnes 9,6kbps : bloc de 240 bits (12kbps) Trame de signalisation : bloc de 184 bits compos de 8 parties gales
Structure englobant les trames Multitrame : 26 trames TDMA dont 24 utiles et 2 contrles (n13 et 26) Hypertrame : 2 715 648 TDMA soit 3h28mn Frame Number: compteur de trame TDMA dans lhyper ; repre pour le mobile,
chiffrement, squence de saut de frquences
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2/ La t ransmission
3/ Les canaux logiques
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22- 2006
Codage de la parole
A partir du signal analogique initial chantillonnage : 8000Hz, soit 160 chantillons/20ms Quantification : 13 bits par chantillon Codage : 188 bits de signal dexcitation + 72 bits qui caractrisent la voix du locuteur
Le service tlphonique est le 1er utilis => codage efficace en volume et qualit Le canal de parole RNIS est un dbit de 64kbps (MIC)
En radio, la ressource est trs limit => dbit le plus faible possible pour coder la voix(CT2, DECT, PHS : MIC adaptatif 32kbit/s)
Plusieurs CODEC en GSM Full Rate : 13kbps non protg ; 22,8kbps protg Half Rate : 6,5kbps non protg ; 11,4kbps protg (moins de redondance => C/I plus
fort) Enhanced Full Rate (GSM2) : 12,2kbps (inspir du GSM amricain PCS 1900) Adaptive MultiRate : calcule dynamiquement le dbit en fonction du C/I
FR de [4,75kbps 12,2kbps] HR de [4,75kbps 7,95kbps]
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23- 2006
Protection et contrle des erreurs
Traitement dune trame errone carte et redemande :Automatic Repeat Request Corrige en utilisant les redondances ajoutes :Forward Error Correction
Dtection derreurs Cyclic Redundant Check: codes cycliques utiliss pour indiquer au rcepteur la
prsence derreurs Utilisation dun polynme gnrateur de longueur fixe (4 polynmes en GSM) Le CRC est le reste de la division du signal par le gnrateur de codes
Fonctions mathmatiques de protection du canal (FEC) Entres : importance des donnes, longueur des bursts, niveau de redondance Codes en blocs : opre sur 100 200 bytes du signal la fois Codes convolutionnels : quelques (un) bits la fois ; chaque bit cod est une
combinaison linaire de bits du signal
En GSM et CDMA, algorithmes de A. J. Viterbi (Qualcomm Corp., 1967) Codage de taux 1/2, 1/3 et 1/6 (ajout de bits non protgs pour obtenir 456 bits)
1/ Mthodes daccs
2/ La t ransmission
3/ Les canaux logiques
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24- 2006
Entrelacement
Brasser les symboles cods pour rendre plus alatoires les positions des erreurs En radio les erreurs sont souvent groupes Perte des bits utiles et des bits de code Reconstitution difficile (limite autour de 11 bits en GSM)
Rpartition dun canal cod sur plusieurs burstspour avoir une meilleureperformance des codes correcteurs derreurs en rception
Entrelacement des blocs (TCH) 456 bits rpartis en 8 colonnes sur 57 lignes, puis lus colonne par colonne, chaque
colonne est stocke dans burst burst A0-A3 de i associs A4/A7 de (i-1) Principe pour la parole protge et les blocs de signalisation
Entrelacement des bits 2 2 sur le couple de trames (i-1, i) Bits pair pour la trame i-1 et bits impairs pour la trame i
Introduit un dlai de traitement : environ 90ms de retard introduit par linterfaceradio du GSM
1/ Mthodes daccs
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3/ Les canaux logiques
4/ Connexion au rseau
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25- 2006
Construction des bursts
Burst
Paquet de donnes envoy durant un intervalle de temps 148 bits dont 114 bits utiles, soit une dure de 546,5s Ajout dune priode de garde (30,5s = 8,25 bits) pour remplir le slot (577s) Format de burstdpendant des canaux logiques (FCH, SCH, RACH)
Squence de synchronisation (ou dapprentissage) de chaque burst Squence binaire auto-corrl de 16 bits : permet de synchroniser finement chaque
burst (8 squences en GSM) Base Station Identity Controller
Code distinguant 2 BTS utilisant la mme frquence en voie balise BSIC utilis pour dterminer la squence dapprentissage (coloriage des bursts) 8 BSIC en GSM cod sur 3 bits
1/ Mthodes daccs
2/ La t ransmission
3/ Les canaux logiques
4/ Connexion au rseau
3bits 3bits57 bits de donnes 57 bits de donnes26 bits dapprentissage 8,25bits1 1
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26- 2006
Chiffrement et modulation du signal
Chiffrement Ou-exclusif bit bit avec une squence pseudo-alatoire : A5(Frame Number, clef)
Modulation : adapter le signal numrique au milieu de transmission Transmission continue avec variation de londe radio (amplitude, frquence, phase) Respect de loccupation spectrale : signal modul autour dune porteuse f0 La bande occupe par le signal doit tre faible (interfrences sur canaux adjacents)
Modulation en phase (amplitude ou frquences en radiodiffusion) BPSKBinary Phase Shift Keying: phase 2 tats Quaternary PSK: phase 4 tats Sauts brusques de phase crent des lobes secondaires
Adoucir les transitions pour compacter le spectre la rception Minimum Shift Keying : minimiser les changements de phase en passant dun tat de
phase un tat voisin avec une modulation 4 tats Gaussian-filtered MSKen GSM
Filtre supplmentaire qui adoucit encore les transitions de phase (1 bit par symbole) Dcalage en frquence de 1 canal : la puissance relative est attnue de 18 dB
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3/ Les canaux logiques
4/ Connexion au rseau
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27- 2006
Plan
1. Mthodes daccs au rseau
2. La transmission
3.Les canaux logiques4. Connexion au rseau
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28- 2006
Larchitecture de linterface radio
lments grer dans linterface radio Le mdium : le canal radio Litinrance (ou roaming) La mobilit en cours dappel : le transfert intercellulaire (ou handover)
Linterface air concerne les 3 couches les plus basses de lOSI (Open SystemInterconnexion)
Couche physique (1) :Medium Access Control Construction et transmission des bursts Protection et dtection des erreurs
Couche liaison (2) : Logical Li nk Control Fonctions de contrle via des canaux logiques
Couche rseau (3) :Management Les appels : call control, SMS Les mobiles : authentification, localisation Les ressources radio : allocation des frquences, gestion du HO, rapport de mesures
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3/ Les canaux logiques
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29- 2006
Le mdium : qualit dpend des perturbations
vanouissements dus aux trajets multiples Rception simultane de signaux damplitudes et de phases alatoires (loi de Rayleigh
fading de R.)
Crs des vanouissements profonds du signal Conduisent des variations de plusieurs dizaines de dB
Effet Doppler : dcalage en frquence Effet d aux dplacement des metteurs/rcepteurs et aux effets des
diffractions/rflexions alatoires
Londe reue est la superposition deNondes incidentes Une raie spectrale est transforme en rpartition dnergie sur un intervalle de
frquences (plusieurs centaines de Hz) Effet de masque (LOS ou obstacle)
Contrle de puissance
Canal variable => taux derreurs variable
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2/ La t ransmission
3/ Les canaux logiques
4/ Connexion au rseau
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30- 2006
Litinrance
Pour se connecter, le mobile Teste si le service est disponible (prsence dune BS) Choisit la BS la plus favorable Se synchronise avec le systme Ncessite une voie balise dans le systme (repre)
BCCHBroadcast Channelen GSMFCCForward Control Channelen AMPS
Q en DECT
PILOT dans CDMA
Pour appeler le mobile sur appel entrant Le systme alerte les mobiles en veille Canaux de messages dappel en diffusion (PCHPaging Channelen GSM)
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35- 2006
Les canaux logiques de contrle
Fonctions Assurer un contrle de lien au niveau physique Assurer les fonctions ditinrance et HO
Types Contrle en diffusion (Broadcast CCH) : toujours prsent Contrle commun (Common CCH) : accs et paging (messages dalerte pour tous) Canaux ddis (Dedicated to a call) : spcifiques un appel ou un abonn
Support Burst : SACCH en IS54, champ A en DECT
Toutes les N trames GSM : SACCH avec TCH (26 TDMA), CBCH et SDCCH (51 TDMA) DECT : 16 TDMA
Vols de burst la place dune transmission normale : FACCH en GSM et IS54
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2/ La t ransmission
3/ Les canaux logiques
4/ Connexion au rseau
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36- 2006
Dautres canaux logiques en 2G
Pilot tone+
SCH
RACH
FTC
RTC
Q
PCH
B-Field
FCC
SACCH
FACCH
BCCH
SCH
FCCH
RACH
AGCHPCH
TCH
SDCCH
SACCH
FACCH
Voie balise
Accs
Paging
Trafic
Signalisation
Lent
Rapide HO
Diffusion
Commun
Ddi
Associ
IS95DECTIS54GSMFonctionsCanaux
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37- 2006
Plan
1. Mthodes daccs au rseau
2. La transmission
3. Les canaux logiques
4.Connexion au rseau
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38- 2006
Connexion au rseau (1/4)
La connexion suit des tapes chronologiques
1. Slection dune BS
2. Synchronisation
3. Acquisition des informations systme
4. Accs5. change de signalisation sur canal ddi (SDCCH)
6. Communication sur un TCH
1. Slection dune BS Le mobile est allum coute des 124 frquences descendantes (ou frquences oprateur) Slection de la frquence la mieux reue en BCCH (en principe)
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39- 2006
Connexion au rseau (2/4)
2. Synchronisation
Dtection dun FCCH descendant (sur le slot BCCH slectionn)
Calage en fin de trame sur le SCH 3 canaux sur le slot BCCH : BCCH + FCCH + SCH Synchronisation grossire en temps (quelques 10 s) : dbut et fin de slot
Recherche et dcodage dun SCH descendant (sur le BCCH slectionn)
Synchronisation fine en temps (quelques s) (en GSM remise 0 de lhorloge desynchronisation toutes les 3h)
Dcodage des informations transportes sur le SCH N de squence dapprentissage utilise dans les bursts N de trame (FN)
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40- 2006
Connexion au rseau (3/4)
3. Acquisition dinformation locale du systme
BS choisie et BS voisines
Recherche et dcodage dinformation sur le BCCH descendant Autorisation ou non daccs (interdiction en cas de saturation) Liste des frquences BCCH des voisines
Paramtres de puissance de la liaison (min, max) Structure du canal logique CCCH (en particulier emplacement des RACH montant)
4. Accs : tentative daccs sur un RACH montant
a. Le mobile met un burstcourt contenant un nombre alatoire sur un canal RACHmontant
b. Si le burstest mal reu, alors la BS ne rpond pas, et une nouvelle tentative esteffectue aprs un dlai alatoire (retour en a)
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41- 2006
Connexion au rseau (4/4)
4. Accs (suite)c. Si la BS reoit correctement (pas de collision, puissance suffisante), alors:d. La BS rpond sur un AGCH descendant un message contenant
Le n de TS du MS La valeur du TA pour lalignement des slots La loi de saut de frquences Le n de SDCCH montant/descendant allou
5. change de signalisation sur le canal ddi SDCCH Recherche Identit, changes cryptographiques
(r-) Inscription (location updating) Si appel entrant ou sortant, attribution dun TCH
6. Communication montante/descendante sur le TCH
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