Le réseau GSM et le mobile support de formation
...
2- La structure du réseau GSM
Lorsqu’on téléphone à partir d’un mobile GSM :
n le mobile transmet par radio la communication vers la station de base de sa cellule.
n la conversation est ensuite acheminée de façon plus classique ( câble, fibre optique ...) vers le correspondant s’il est raccordé au réseau téléphonique filaire, ou à sa station de base s’il est équipé d’un mobile.
n cette station de base transmet finalement la conversation par radio au correspondant.
Même si deux personnes se trouvent dans la même cellule et se téléphonent, la conversation ne passe jamais directement d’un GSM à l’autre.
Au cours d’un déplacement, il est possible qu’on sorte d’une cellule. Il est nécessaire alors de changer da station de base tout en maintenant la communication : c'est le transfert intercellulaire ou handover.
Pour gérer ce transfert :
n le téléphone GSM mesure en permanence la force du signal radio reçu de la station de base et écoute aussi régulièrement les stations de base des cellules voisines
n lorsqu’il constate qu’il reçoit mieux une autre station de base que celle avec laquelle il échange les signaux, il en informe sa station de base
n la station de base décide alors de passer le relais à la station de base voisine et met en œuvre la procédure de handover
Ce processus oblige tous les mobiles GSM à écouter les stations de base des cellules voisines en plus de la station de base de la cellule dans laquelle il se trouve.
Le réseau GSM et le mobile
3- Les équipements du réseau GSM
Les fonctions mises en œuvre dans le réseau GSM sont celles requises dans tout réseau de mobiles comme la numérotation, l'acheminement vers un usager mobile, le transfert de cellules. etc...
Figure 4. Structure générale d’un réseau GSM.
Le téléphone GSM ou station mobile est caractérisée par deux identités :
n le numéro d'équipement, IMEI (International Mobile Equipment ldentity) mis dans la mémoire du mobile lors de sa fabrication
n le numéro d'abonné IMSI (International Mobile Subscriber ldentity) se trouvant dans la carte SIM (Subscriber ldentity Module) de l’abonné
Le système de communication radio est l'équipement qui assure la couverture de la cellule et comprend :
n les stations de transmission de base BTS (Base Transmitter Station)
n le contrôleur de stations de base BSC (Base Station Controller) qui gère entre 20 et 30 BTS et possède son registre d’abonnés visiteurs VLR stockant les informations de l'abonné liées à sa mobilité.
Le commutateur de services mobiles MSC est un autocommutateur qui assure les fonctions de commutation nécessaires en aiguillant les conversations vers la MSC du correspondant ou vers d’autres réseaux (téléphonique, Internet, Numéris ...) à travers des interfaces appropriées.
Le registre des abonnés nominaux ou HLR (Home Local Register) est une base de données utilisée pour la gestion des abonnés mobiles et contenant deux types d'informations :
n les informations d'abonnés, le numéro d'abonné (IMSI
n les informations sur la localisation de l'abonné, permettant aux appels entrant dans le réseau d'être acheminés jusqu'à ce mobile
Le réseau GSM et le mobile
Dans le système GSM/DCS, deux bandes de fréquences sont utilisées, l’une autour des 900 MHz et l’autre autour de 1,8 GHz.
Chaque bande est divisée en deux sous-bandes, servant l’une pour le transfert d’informations entre le mobile et la station de base ( voie montante) , et l’autre pour la liaison entre la station de base et le mobile ( voie descendante ) :
n bande EGSM étendue ( bande de largeur totale 35 MHz )
- de 880 à 915 MHz du mobile vers la base - de 925 à 960 MHz de la base vers le mobile - écart entre les deux fréquences 45 MHz - 174 canaux espacés de 200 kHz
n bande DCS ( bande de largeur totale 75 MHz )
- de 1710 à 1785 MHz du mobile vers la base - de 1805 à 1880 MHz de la base vers le mobile - écart entre les deux fréquences 95 MHz - 374 canaux espacés de 200 kHz
Chaque porteuse GSM ou DCS est identifiée de manière unique par un numéro n, désigné par le sigle ARFCN, codé sur 10 bits conformément au plan suivant où la fréquence de la voie descendante est exprimée en MHz:
pour 1 ≤ n ≤ 124 f = 935 + (0,2 x n) ( GSM )
pour 975 ≤ n ≤ 1024 f = 935 + (0,2 x (n-1024)) ( GSM étendu EGSM )
pour 512 ≤ n ≤ 885 f = 1805,2 + (0,2 x (n-512)) ( DCS 1800 )
Exemple : pour n=10, voie descendante à 935+ (0,2.10) = 937 MHz et voie montante à fd – 45 = 892 MHz
Remarque : ce numéro de canal peut changer durant une communication lorsque la qualité devient insuffisante ( saut de fréquence ou frequency hopping).
Le réseau GSM et le mobile
La répartition des fréquences entre les différents opérateurs n’est pas figée mais est amenée à évoluer au cours du temps suivant le degré de saturation des cellules en environnement urbain.
n initialement la bande de fréquence montante réservée aux communications entre mobile et base allait de 890 à 915 MHz et était partagée entre les deux opérateurs Itinéris et SFR.
890 915
n en 1996, on alloue à un troisième opérateur, Bouygues, une partie de la bande DCS située au-dessus de 1,7 GHz.
890 915 1710 1725 1755 1785
n en 1997, la SNCF et les réseaux ferroviaires européens adoptent la norme GSM pour les communications de service et obtiennent une bande de fréquence propre en-dessous de la bande GSM. Celle-ci est étendu de 10 MHz vers le bas ( Extended GSM ) pour répondre à l’augmentation de trafic.
876 880 915 1710 1725 1755 1785
n à partir de 1999, on attribue à Itinéris et SFR une bande de fréquences dans la gamme DCS, ce qui permet à ces deux opérateurs d’attribuer, en cas de saturation de la bande GSM, des canaux dans la bande DCS à leurs abonnés équipés de mobiles bi-bande. Par souci d’équité entre opérateurs, Bouygues se voit attribuer des canaux dans la bande EGSM.
876 880 915 1710 1725 1755 1785
Cette évolution est effective fin 1999 pour les grandes villes comme Paris, Lyon, Marseille, Strasbourg ainsi que sur la Côte d’Azur.
Elle est mise en place au fur et à mesure de l’augmentation du trafic dans les agglomérations d’importance moindre.
Le réseau GSM et le mobile
Chaque BTS est équipée pour travailler sur un certain nombre de canaux, en général 5 ou 6, qui sont autant de paires de fréquences émission-réception.
Toute BTS émet en permanence des informations sur son canal BCH (Broadcast Channel) appelé aussi voie balise. Ce signal constitue le lien permanent reliant mobile et station de base à partir de la mise en route du mobile jusqu’à sa mise hors service, qu’il soit en communication ou non.
Le fonctionnement du mobile se décompose en 2 phases :
Þ mobile en veille : le mobile échange avec sa base des signaux de contrôle sur la voie balise (émission en slot 0 à f1, réception en slot 0 à f1 + 45 MHz)
Le niveau de la voie balise ( BCH ) est connu et sert pour un certain nombre de fonctions de contrôle :
n à la mise ne route du mobile, son récepteur scrute la bande GSM pour chercher le signal BCH de niveau le plus élevé. C’est avec la station de base correspondante que le mobile se mettra en communication.
n ce signal contient des informations concernant les opérateurs ( SFR, Itinéris, Bouygues) et les fréquences balise des cellules voisines
n ce signal véhicule les messages qui seront affichés sur l’écran du mobile
n toutes les 15 secondes si le signal reçu est fort et toutes les 5 secondes s’il est faible, le récepteur écoute les balises des cellules voisines pour détecter un changement de cellule.
n l’émission balise n’occupe le canal de transmission que dans le sens base - mobile. La liaison montante pourra donc être utilisée par le mobile pour signaler son désir de se connecter au réseau pour une communication (RACH : random access channel).
Þ mobile en communication : le mobile échange avec la base des signaux de parole et de contrôle sur la voie de trafic (émission en slot i à f2, réception en slot i à f2 + 45 MHz)
n il émet et reçoit maintenant sur une nouvelle paire de fréquences allouées par la base pour la durée de la communication : c’est le TCH ( Traffic CHannel)
n parallèlement à cette activité principale, il écoute périodiquement les voies balises de la cellule et des cellules voisines pour détecter une variation de niveau lui indiquant un changement de cellule.
Le réseau GSM et le mobile
La bande réservée aux liaisons descendantes est relativement occupée puisqu’on peut y voir les signaux « balise » émis en permanence par la station de base de la cellule et par les stations de base des cellules adjacentes .
On repère bien sur ce tracé les raies des voies balises de la cellule pour les deux opérateurs.
Les puissances d’émission des voies balise des stations de bases sont parfaitement contrôlés, et les émissions sont présentes 24h/24h.
Au moment où cette courbe a été relevée (juin 99), la répartition entre les opérateurs alloue à Itinéris la moitié inférieure ( largeur 12,5 MHz) de la bande GSM900 et à SFR la moitié supérieure, de largeur identique. L’opérateur Bouygues dispose de 15 MHz au début de la bande DCS.
Remarque : à cause de l’encombrement spectral d’une émission GSM, on n’utilise jamais deux canaux contigus dans la même cellule.
En effet, si la largeur du spectre GSM est de 200 kHz à -3dB, elle s’élève à 400 kHz à -60 dB et c’est pour éviter les interférences entre canaux que l’écart pratique entre deux canaux utilisables est de 400 kHz.
Le réseau GSM et le mobile
La bande allouée aux liaisons montantes est beaucoup moins encombrée puisqu’elle ne sert qu’au moment de l’allumage du mobile et pendant les communications téléphoniques.
Pour visualiser les émissions des différents mobiles, l’analyseur de spectre a superposé les enregistrements durant 2 heures en affichant les valeurs maximales ( mode Max-Hold).
Les différents pics visibles correspondent chacun à une liaison montante mobile-base. Le pic de forte amplitude correspond à une communication par un mobile situé à 3m de l’analyseur.
On peut noter la faible amplitude des pics correspondants aux mobiles en communication, qui est liée à une gestion rigoureuse de la puissance émise ( optimisation de l’autonomie et diminution des brouillages).
Le réseau GSM et le mobile
A l’intérieur d’une cellule, on dispose donc d’un certain nombre de fréquences ou canaux qu’il faut répartir entre les différents utilisateurs.
Lors d’une conversation courante, un téléphone mobile n’a pas besoin du canal de transmission en permanence grâce aux techniques de compression de débit.
Þ chaque porteuse est divisée en 8 intervalles de temps appelés time-slots. La durée d'un slot a été fixé pour le GSM à 7500 périodes du signal de référence fourni par un quartz à 13 MHz qui rythme tous les mobiles GSM :
Tslot = 7500/13 MHz = 0,5769 ms soit environ 577 µs
Þ sur une même porteuse, les slots sont regroupés par paquets de 8 qui constituent une trame TDMA.
la durée de la trame est donc : TTDMA = 8 Tslot = 4,6152 ms
Un mobile GSM en communication n’utilisera qu’un time-slot, ce qui permet de faire travailler jusqu’à 8 mobiles différents sur la même fréquence de porteuse. Le signal radio émis dans un time-slot est souvent appelé burst.
Les slots sont numérotés par un indice TN qui varie de 0 à 7. Un « canal physique » est donc constitué par la répétition périodique d'un slot dans la trame TDMA sur une fréquence particulière.
Figure 11. Mobile en conversation sur le time-slot 1.
Durant une communication téléphonique, le mobile GSM reçoit des informations de la station de base et émet des informations vers celle-ci :
n ces échanges se font sur deux fréquences différentes et n’ont pas lieu au même moment
n au niveau du mobile, l’émission et la réception sont décalés dans le temps de 3 time-slots
n pour conserver la même numérotation des slots, le début de la trame TDMA du mobile est décalée de 3 time-slots / début de la trame de la base
Le mobile reçoit donc le signal émis par la base sur la fréquence descendante f durant un time slot soit 577 µs , puis 3 time-slots soit 1,7 ms plus tard, émet son signal vers la station de base sur la fréquence montante plus basse (f-45 MHz pour le GSM).
Le réseau GSM et le mobile
Pour mettre en évidence l’émission d’une onde électromagnétique par le mobile GSM, on peut utiliser le dispositif simple suivant constitué par une antenne demi-onde suivie d’un détecteur crête.
La présence d’une porteuse modulée ou non à une fréquence voisine de 900 MHz se traduit par l’apparition d’une tension s(t) continue proportionnelle à l’amplitude de la porteuse.
Ce dispositif permet de mettre en évidence la détection d’activité vocale, fonction permettant de limiter la consommation du mobile en réduisant très fortement l’activité d’émission lors d’une interruption du signal vocal.
Durant un silence, seul est transmis un bruit de fond standard évitant au correspondant l’impression désagréable d’une interruption de la communication.
Le réseau GSM et le mobile
La station de base contrôle de nombreux paramètres du mobile et en particulier la puissance d’émission. L’ajustement du niveau émis est fait de façon à minimiser la puissance requise par l’émetteur tout en conservant la qualité de la communication.
Les deux avantages sont la diminution du niveau d'interférence due aux canaux adjacents et l’augmentation de l'autonomie des mobiles
En conséquence, l’amplificateur de puissance RF de tout mobile GSM doit être équipé :
n d’une entrée commandant la puissance de sortie
n d’un dispositif de mesure de la puissance émise
Dans les mobiles actuels, la mesure de la puissance est faite soit par le contrôle du courant absorbé par l’amplificateur de puissance, soit à l’aide d’un ensemble coupleur directif-détecteur Schottky.
Au début de la conversation téléphonique, la station de base réduit progressivement la puissance émise par le mobile jusqu’au niveau minimal compatible avec une bonne liaison.
En plaçant le mobile dans un boîtier blindé muni d’un couvercle amovible, on peut modifier l’atténuation introduite au cours de la propagation et observer le réajustement de la puissance émise suite à la réaction de la station de base.
Le réseau GSM et le mobile
Les différents utilisateurs d'un système cellulaire sont à des distances variables de leur station de base et endurent des délais de propagation variables.
Or l’onde électromagnétique se propage à la vitesse de la lumière soit c = 300 000 km/s.
Cette vitesse est très élevée, mais pas infinie et les retards engendrés par la distance se font sentir sur le timing puisqu’une distance de 30 km cause un retard de 100 µs.
Prenons l’exemple de deux mobiles MS1 et MS2 appartenant à la même cellule. Le premier MS1 est en limite de cellule alors que le second, MS2 est situé près de la station de base.
Figure 18. Importance du paramètre de Time Advance.
On suppose que ces deux mobiles utilisent des slots consécutifs sur la même porteuse : MS1 émet dans le slot 1, MS2 dans le slot 2 :
n en l'absence de compensation du temps de propagation , les bursts émis par chacun des mobiles se chevaucheront au niveau du récepteur de la BS.
n pour pallier à cette difficulté, la station de base va compenser ce retard en gérant un paramètre TA (Time Advance) correspondant au temps de propagation aller-retour.
n le mobile éloigné doit avancer l'émission de chacun de ses bursts par rapport à l'instant nominal de début de slot
n la distance entre mobile et station de base étant susceptible de varier en permanence, ce paramètre TA est réajusté à chaque trame et pourra prendre une valeur comprise entre 0 et 63.
Remarque : la détermination du paramètre TA permet à la base de connaître la distance à laquelle se trouve le mobile. Par triangulation avec une deuxième station de base, on pourra donc déterminer la position exacte d’un mobile.
Le réseau GSM et le mobile
Pendant un échange de données vocales, le mobile continue l’écoute des balises des cellules voisines pour détecter un éventuel changement de cellule.
Cette écoute se fait entre l’émission et la réception du burst suivant. Vu le faible temps disponible, le mobile ne pourra faire qu’une mesure de niveau.
Pour décoder les informations provenant de la balise d’une cellule voisine, il lui faut davantage de temps, surtout qu’il faut « attraper » le time-slot 0 qui contient les informations recherchées.
C’est la raison pour laquelle le mobile s’arrête d’émettre et de recevoir toutes les 26 trames ( slot idle ) ce qui lui permet d’écouter et de décoder le canal de contrôle d’une cellule voisine.
L’enregistrement de l’activité en émission d’un mobile GSM montre bien l’arrêt de l’émission toutes les 26 trames, soit toutes les 120 ms.
Durant cette trame 26, le mobile GSM doit écouter et décoder la voie balise de l’une des cellules voisines.
Le réseau GSM et le mobile
A la mise sous tension se passent les opérations suivantes :
n l’utilisateur valide sa carte SIM en tapant au clavier son numéro de code PIN
n le récepteur du GSM scrute les canaux de la bande GSM et mesure le niveau reçu
n le mobile repère la voie balise de niveau le plus élevé correspondant à son opérateur
n le mobile récupère les informations de correction de fréquence lui permettant de se caler précisément sur les canaux GSM
n le mobile récupère le signal de synchronisation de la trame TDMA diffusé sur le BCCH et synchronise sa trame
n le mobile lit sur le BCCH les infos concernant la cellule et le réseau et transmet à la BTS l’identification de l’appelant pour la mise à jour de la localisation
Le mobile a alors achevé la phase de mise en route et se met en mode veille, mode dans lequel il effectue un certain nombre d’opérations de routine :
n lecture du Paging Channel qui indique un appel éventuel
n lecture des canaux de signalisation des cellules voisines
n mesure du niveau des BCH des cellules voisines pour la mise en route éventuelle d’une procédure de hand-over
A la réception d’un appel :
n l’abonné filaire compose le numéro de l’abonné mobile : 06 XX XX XX XX
n l’appel est aiguillé sur le MSC (commutateur de services mobiles) le plus proche qui recherche l’IMSI dans le HLR et la localisation du mobile dans le VLR
n le MSC le plus proche du mobile ( Visited MSC) fait diffuser dans la zone de localisation, couvrant plusieurs cellules, un message à l’attention du mobile demandé ( par le Paging Channel )
n le mobile concerné émet des données sur RACH avec un Timing Advance fixé à 0 et un niveau de puissance fixé par le réseau ( ces paramètres seront ajustés ultérieurement )
n le réseau autorise l’accès par le AGCH et affecte au mobile une fréquence et un time-slot
n l’appelé est identifié grâce à la carte SIM
n le mobile reçoit la commande de sonnerie
n décrochage de l’abonné et établissement de la communication
Lors de l’émission d’un appel :
n l’abonné mobile compose le numéro du correspondant du réseau téléphonique commuté
n la demande arrive à la BTS de sa cellule par le Random Access Channel
n elle traverse le BSC pour aboutir dans le commutateur du réseau MSC
n l’appelant est identifié et son droit d’usage vérifié
n l’appel est transmis vers le réseau public
n le BSC demande l’allocation d’un canal pour la future communication
n décrochage du correspondant et établissement de la communication
Le réseau GSM et le mobile
Les signaux de voix et de contrôle échangés entre le mobile et la base sont classés en plusieurs catégories, mais transitent tous sur 2 voies radio montantes et descendantes :
n la voie balise : FCCH, SCH,,BCCH,PCH,RACH ...
n la voie trafic : TCH, SACCH, FACCH...
Tous les trames ci-dessus n'ont pas lieu en même temps et s'articulent sur des séquences particulières orchestrées par le logiciel de la base.
Le réseau GSM et le mobile
Les données échangées entre le téléphone mobile et la base (voix ou signaux de contrôle) sont toujours transmises sous une forme précise :
n 57 bits de données (voix ou signaux de contrôle)
n 26 bits (toujours les mêmes dans une cellule) d'une séquence de formation (training sequence), qui a pour mission de mesurer les propriétés du canal de transmission
n 57 bits de données (voix ou signaux de contrôle)
n quelques bits d’encadrement et indicateurs
Dans chaque trame, le téléphone reçoit donc 114 bits d’informations utiles regroupés dans le time-slot affecté à la communication.
Ces 114 bits peuvent correspondre :
n à de la voix uniquement
n à de la voix mélangée à des données de contrôle
Le réseau GSM et le mobile
Le réseau GSM de base ne propose qu’un débit de 9,6 kbits/s, parfaitement satisfaisant pour la voix, mais insuffisant pour le transfert de fichiers, d’images, de vidéos, accès à Internet ...
De plus, le canal de transmission GSM est souvent très mal utilisé lors du transfert de données
Figure 3. Débit moyen et débit instantané.
De nouvelles structures sont donc nécessaires pour offrir aux utilisateurs un confort plus grand :
Þ la technique HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) qui permet d’utiliser 2, 3 ...6 time-slots du GSM avec un débit de 14,4 kbits/s par time-slot (avec protection réduite contre les erreurs).
Þ le standard GPRS (General Packet Radio Service) offre un débit plus élevé en affectant un nombre de time-slots variable d’une trame à l’autre en fonction des besoins instantanés
Þ l’EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) : réseau de transition entre le GPRS et l’UMTS, permettant une augmentation de débit grâce à une modulation à 8 états au lieu de 2 pour le GMSK
Þ l’UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) : c’est le réseau mobile du futur : avec des débits 200 fois supérieurs à ceux d’aujourd’hui, il permettra de fournir des services multimédia et de vidéoconférence d’excellente qualité
Le réseau GSM et le mobile
18- Les équipements du réseau GPRS
Le GPRS ne constitue pas à lui tout seul un réseau mobile à part entière, mais une couche supplémentaire rajoutée à un réseau GSM existant :
Figure 6. Les ajouts au réseau GSM nécessités par le GPRS.
L'implantation du GPRS peut être effectuée sur un réseau GSM existant. Les stations de base ne subissent aucune modification si ce n'est l'adjonction d'un logiciel spécifique, qui peut être installé par téléchargement.
Le rôle de ce logiciel PCU (Packet Control Unit) est de gérer la transmission des paquets dans la BSC Plus en amont, le contrôleur de stations de base doit être doublé par les éléments suivants:
La gestion des abonnés GPRS se fait par le registre HLR/GR (GPRS register), hébergé dans les HLR/GSM existant et visibles de tous les SGSN du réseau GPRS.
jean-philippe muller
Le réseau GSM et le mobile
La grande nouveauté du GPRS est donc l’allocation dynamique des ressources radio : le lien s’établit grâce à un canal spécifique « paquets » PDCH (packet data channel) dont la structure (fréquence, nombre de time-slots, taux de protection) varie au cours du temps en fonction de la quantité de données échangées.
Le débit instantané varie en fonction du nombre de "time slots" utilisés, avec une fourchette de 9,05 à 13,4 kbits/s par time-slot selon de degré de protection des données.
Classe
Nombre de slots Maximum de slots utilisés par trame Type de
multislot Fonctionnement
Rx Tx
1 1 1 2 1 Mode alterné
Rx ou Tx
2 2 1 3 1
3 2 2 3 1
4 3 1 4 1
5 2 2 4 1
6 3 2 4 1
7 3 3 4 1
8 4 1 5 1
9 3 2 5 1
10 4 2 5 1
11 4 3 5 1
12 4 4 5 1
13 3 3 6 2 Mode simultané
Rx et Tx
14 4 4 8 2
15 5 5 10 2
16 6 6 12 2
17 7 7 14 2
18 8 8 16 2
...
Les premiers services GPRS déployés seront de classe 2 soit 26,8 kbits/s en réception, pour évoluer peu après jusqu'à la classe 12 soit 53,6kbits/s en réception également, c'est-à-dire l'équivalent de ce qu'offre aujourd'hui un modemV90.
Ces vitesses de transfert sont envisageables sans impact notable sur la conception existante du mobile ou de l'équipement terminal. Ce n'est pas le cas des services au-delà de la classe 12 qui exigent des modifications tant logicielles que matérielles d'un autre ordre puisque le mobile devra être capable de fonctionner simultanément en émission et en réception.
On constate que chaque trame de transmission de données au standard GPRS est différente, et les time¬slots sont affectés en fonction des besoins des différents utilisateurs.
Le réseau GSM et le mobile
Une fois que le nombre de time-slots affectés à la liaison montante et descendante est fixé, le débit numérique va dépendre du degré de protection des données transmises : c’est le choix du schéma de codage.
Quatre niveaux de codage convolutionnels CS1, CS2, CS3 et CS4 sont disponibles, suivant la qualité de liaison souhaitée et le taux de brouillage existant dans la cellule.
Schéma de codage de canal Nombre de bits de données dans un bloc Nombre de bits sur 4 burst Débit de transfert en kbits/s Débit maximal sur la base de 8 time-slots
CS1 181 456 9,05 72,4 kbits/s
CS2 268 456 13,4 107,2 kbits/s
CS3 312 456 15,6 124,8 kbits/s
CS4 428 456 21,4 171,2 kbits/s
Le niveau CS1 correspond à une protection maximale des données. Le codage convolutionnel fait alors passer le bloc de 181 à 456 bits, ce qui donne :
La station de base peut choisir l’un ou l’autre de ces niveaux de protection en fonction du taux d’erreur observé et de la qualité souhaitée par l’utilisateur.
Au niveau d’une cellule, la station de base optimise aussi le taux de codage en fonction de l’éloignement de l’utilisateur et réservera le mode CS1 le plus protégé pour les utilisateurs situés en limite de cellule.
Le réseau GSM et le mobile
Trois classes de mobiles GPRS sont définies :
Saçaem MC 850 GPRS
GSM 900/1800 MHz
GPRS Class B GPRS CS1/2/3/4 GPRS 1UL +3DL 115kbps speed
Conversation : 5h - Veille : 140 h 137 g. - 132 x 50 x 21 mm
Ericsson R520
GSM 900/1800 MHz
HSCSD
GPRS Class B, CS1/2/3/4, 1UL +3DL
115kbps speed
Bluetooth, Wap
Conversation : 7h35 - Veille : 200 h 105 g. - 130 x 50 x 16 mm
Disponible début 2001
Alcatel One TouchTM 700
GSM 900/1800 MHz GPRS Class B, Bluetooth, Wap
Conversation : 5h - Veille : 320 h 88 g. - 122 x 48 x 25 mm
Disponible en octobre 2000 ?
Le réseau GSM et le mobile
Le GSM est un téléphone numérique, la voix est donc digitalisée et traitée sous forme numérique par un processeur de signal ou DSP (Digital Signal Processor) :
n le son est capté par le microphone qui fournit un signal analogique (1)
n il est échantillonné (2) et transformé en échantillons binaires codés sur 13 bits par un convertisseur analogique-numérique (3)
n les mots binaires sont sérialisés (4) avec un débit brut de D=8000x13=104 kbits/s
Une fois le signal vocal numérisé, il entre dans le DSP pour y subir un certain nombre de traitements numériques :
n ce signal binaire a un débit beaucoup trop important pour être transmis tel quel. Il va donc subir une diminution de débit importante (5) grâce au vocodeur GSM qui abaisse le débit à 13 kbits/s
n les données numériques ainsi obtenues sont protégées par des codes correcteurs d’erreurs permettant de réparer à l’arrivée les erreurs de transmission qui ont pu s’introduire à la suite d’aléas de propagation ou de parasites (6)
n l’application d’algorithmes de cryptage (6) assure la confidentialité des communications
n les données sont enfin regroupées en paquets de 156 bits et de durée 577 µs (6) pour la constitution de la trame
Figure 24. Les étapes du traitement du signal vocal.
Après tous ces traitements, les données binaires sortent en (7) regroupées en paquets de 156 bits sous la forme de 2 signaux TXI(t) et TXQ(t) et sont prêts à entrer dans les circuits d’émission pour moduler la porteuse.
Le réseau GSM et le mobile
23- Les signaux TXI et TXQ
Ces signaux sont intéressants parce qu’ils restent actuellement encore accessibles à la mesure sur les téléphones GSM.
Les signaux TXI et TXQ ont des allures semblables, et les variations de ces deux signaux vont produire la variation de fréquence correspondante de la porteuse.
Figure 27. La production des signaux TXI et TXQ.
Le mobile GSM émet une porteuse de fréquence fo modulée en phase qui s’écrit :
e(t) = Ecos(ùot ± ðt/2Tbit ) + si on transmet un « 1 »
- si on transmet un « 0 »
Pendant la durée Tbit= 3,6 µs d’un bit, la phase augmente ou diminue suivant la valeur du bit. Cette porteuse peut aussi s’écrire :
e(t) = Ecos[(ùo ± ð/2Tbit).t ] elle a une fréquence f = f0 ± 1/Tbit = fo ± 68 kHz
ce qui correspond à une modulation de fréquence de type GMSK ( Gaussian Minimum Shift Keying). Cette porteuse modulée est produite de la façon suivante :
n la porteuse correspondant au canal alloué est produite par le VCO ( oscillateur commandé en tension) du synthétiseur de fréquence piloté par le circuit de contrôle du téléphone
n cette porteuse est modulée par les signaux TXI et TXQ pour produire le signal modulé GMSK
n ce signal est débarrassé d’éventuels harmoniques par les filtres passe-bande à onde de surface
n le signal est enfin amplifié pour être amené au niveau d’émission souhaité
Figure 28. La chaîne complète des circuits d’émission du GSM.
Détail du circuit de modulation :
Si on développe l’expression ci-dessus, on trouve :
e(t) = Ecos(ϕ(t)).cos(ù0t) - Esin(ϕ(t)).sin(ù0t) = Ecos(ϕ(t)).cos(ù0t) + Esin(ϕ(t)).cos(ù0t+ð/2)
qui peut s’écrire : e(t) = TXI(t).cos(ù0t) + TXQ(t). cos(ù0t+ð/2)
La structure produisant le signal modulé est directement inspirée du résultat précédent :
n dans le DSP, le signal binaire est intégré pour obtenir ϕ(t) = ± πt/2Tbit
n le DSP calcule le cosinus et le sinus : TXI(t) = E.cos(ϕ(t) et TXQ(t) = E.sin(ϕ(t))
n dans le modulateur, les signaux TXI(t) et TXQ(t) sont multipliés par la porteuse à ùo
n les signaux résultants sont additionnés et donnent la porteuse modulée :
e(t) = Ecos(ϕ(t)).cos(ù0t) + Esin(ϕ(t)).cos(ù0t+ð/2) = Ecos(ùot + ϕ(t))
Le réseau GSM et le mobile
25- La régulation de la puissance émise
La puissance maximale que doit fournir l’amplificateur de puissance de sortie PA est de 2W pour le GSM (33dBm) et 1W pour le DCS (30 dBm).
L'alimentation des amplificateurs de sortie ou PA est reliée directement à la batterie ce qui veut dire que celle ci doit être capable de fournir le courant maximum nécessaire pendant un burst.
Le rendement des PA étant d'environ 50%, ils doivent pouvoir évacuer une énergie non négligeable à l'origine de l'échauffement du mobile.
Le contrôle de la puissance est indispensable pour 2 raisons :
n en phase d’émission, la puissance est régulée à une valeur juste suffisante par la station de base pour une liaison sans erreurs et une consommation minimale
n en début et fin d’émission, la forme de la montée et de la descente de la puissance est contrôlée par le circuit de gestion du mobile, pour un encombrement spectral minimal
Une montée progressive de l’émission permet de limiter l’encombrement spectral du signal modulé. C’est la raison pour laquelle la norme GSM prévoit un gabarit de montée en puissance lors de l’émission d’un burst. Si le profil de montée n’est pas bien ajusté, le spectre du téléphone déborde du canal, et risque de perturber d’autres mobiles.
Pour une occupation spectrale minimale, la forme exacte de la courbe de montée et de descente en puissance a une grande importance et fait l’objet d’une calibration précise à la production.
