Ac RE56 32 GSM Interface Radio

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


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




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




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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




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

1/ Mthodes daccs

2/ La t ransmission




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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

1/ Mthodes daccs

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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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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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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

1/ Mthodes daccs

2/ La t ransmission




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17- 2006

Plan

1. Mthodes daccs au rseau

2.La transmission3. Les canaux logiques

4. Connexion au rseau


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

1/ Mthodes daccs

2/ La t ransmission




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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



PROPAGATION


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



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

1/ Mthodes daccs

2/ La t ransmission




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]

1/ Mthodes daccs

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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




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

2/ La t ransmission




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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



3bits 3bits57 bits de donnes 57 bits de donnes26 bits dapprentissage 8,25bits1 1


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

1/ Mthodes daccs

2/ La t ransmission




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27- 2006

Plan


2. La transmission

3.Les canaux logiques4. Connexion au rseau


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

1/ Mthodes daccs

2/ La t ransmission




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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

1/ Mthodes daccs

2/ La t ransmission




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)

1/ Mthodes daccs

2/ La t ransmission




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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

1/ Mthodes daccs

2/ La t ransmission




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

1/ Mthodes daccs

2/ La t ransmission




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37- 2006

Plan


2. La transmission

3. Les canaux logiques

4.Connexion au rseau


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)

1/ Mthodes daccs

2/ La t ransmission




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39- 2006


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)

1/ Mthodes daccs

2/ La t ransmission




40- 2006


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)

1/ Mthodes daccs

2/ La t ransmission




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41- 2006


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

1/ Mthodes daccs

2/ La t ransmission



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