Protocoles du GSM (Partie 1)

gsm-logoIl faut différencier en GSM le trafic de la signalisation. Seul du coté plan de signalisation la découpe en couche a un sens.Ensuite il faut comme dans l’architecture matérielle du réseau scinder en deux et raisonner RADIO (BSS) et RESEAU FIXE (NSS). La découpe fonctionnelle de ces deux parties est relativement claire. Coté BSS on doit gérer la ressource radio, fiabiliser la transmission radio, traiter la mobilité (handover) et assurer une passerelle entre le MS et le NSS. Coté NSS un double challenge est à mener. D’une part il faut se comporter comme un classique commutateur (CAA) et acheminer les appels entrants ou sortants et d’autre part il faut gérer l’itinérance et permettre la consultation et la mise à jour des diverses bases de données (HLR, EIR, VLR, …).

1-1  Protocoles coté BSS

Un terminal GSM dialogue principalement avec le MSC pour établir des communications,disposer de services supplémentaires. L’architecture du GSM a été fortement inspirée par la technique numérique RNIS.

Ce dernier est structuré suivant les trois couches basses du modèle OSI.

  • La couche basse définit les caractéristiques physiques de la transmission.
  • La couche 2 détaille un protocole de liaison de données qui permet de fiabiliser la communication. Dans le cas du RNIS, celui-ci est le LAPD (Link Access Protocol for the D Channel c’est un équivalent HDLC).
  • La couche 3 a plutôt trait à l’applicatif téléphonique qu’à une réelle couche réseau.Dans le réseau fixe, les mêmes couches de protocoles se trouvent dans le terminal et l’équipement d’accès au réseau. Dans un réseau GSM, la station mobile se connecte à la BTS pour accéder au réseau mais il faut plutôt considérer un accès réparti entre la BTS, le BSC et le MSC. Par conséquent, toutes les couches de protocoles sont présentes dans la station mobile. Par contre côté réseau, les couches sont réparties entre les différents éléments.
    Le niveau réseau (ou couche 3) est divisée en 1-3trois sous couches :

     RR (Radio Ressource)

La connexion radio est gérée par la sous-couche RR. Elle consiste principalement en l’établissement d’un canal dédié et en son suivi lors d’un handover. Cette connexion est donc établie entre le mobile et le BSC.Les aspects purement radio sont intégrés à la sous-couche Radio Ressource (RR). Elle gère l’établissement, la maintenance et la libération des différents canaux logiques et physiques.Au sein du MS, elle a pour rôle de sélectionner les cellules et de surveiller la voie balise àpartir des mesures effectuées par la couche physique.Cette couche reliant BSC et MS se décline en BTSm et RR’ à la BTS. En effet certains messages très spécifiques traitent de la ressource radio mais sont soit directement traités entre MS et BTS (open loop power control) soit entre BTS et BSC (activation/désactivation d’un émetteur radio).

MM (Mobility Management)

La sous-couche MM a 3 rôles différents :

  • assurer la gestion de la mobilité, ce qui va générer des échanges entre le mobile et le réseau.
  • assurer les fonctions de sécurité.
  • Gérer les connexions MM, ce qui permet à la couche CM de faire abstraction de l’aspect itinérant et radio du mobile et de se ramener au cas de l’accès d’un terminal fixe au réseau RNIS.

CM (Connection Management)

La couche CM a été volontairement rendue similaire à la couche réseau du RNIS, elle est présente dans le MSC. La couche MM a pour objet de prendre en compte le problème spécifique du GSM c’est-à-dire l’itinérance. Cette fonction est traitée dans le MSC. La couche RR gère l’interface radio, elle est ainsi implantée naturellement dans le BSC.

Au niveau liaison de donnée (couche 2) on utilisera suivant le cas le LAPD (BSC-BTS), le LAPDm (MS-BTS) ou bien des couches dérivées du monde SS7 entre le MSC et le BSC (couche MTP). Pour comprendre LAPD ou LAPDm il faut se référer au HDLC (High Level Data Link Control). Il permet d’assurer le transfert d’information entre deux équipements connexes soit de manière fiable (liaison de donnée en mode connecté qui alors propose un transfert fiable) soit de manière non fiable (mode non connecté qui permet de détecter les erreurs de transfert mais ne propose pas de mécanismes de retransmission). Ce protocole est utilisé comme protocole de niveau 2 dans les réseaux de type X25 (TransPac). Ce protocole date de 1976 et est décrit dans deux documents : ISO3309 Structure de Trames HDLC / ISO4335 Eléments de Procédures il fut adapté pour les réseaux de type RNIS. Cette adaptation est connue sous le .nom de LAPD.

Une trame HDLC a pour structure :

1-2

  • On y trouve :
    un Fanion d’ouverture et de fermeture pour délimiter la trame. Pour garantir l’unicité du fanion on transcode la partie se situant entre les fanions suivant la règle suivante : « Toute suite de 5 bits consécutifs à 1 est transcodée en une suite de cinq bits à 1 et d’un bit à 0 ». Ainsi les fanions sont les seuls mots émis sur la ligne pouvant posséder 6 bits à 1 consécutifs. Le prix à payer est alors une légère augmentation de la longueur de trame (~6/5 en moyenne).
  • une partie informative de taille variable
  • une partie contrôle constituée d’un champ adresse et d’un champ commande. Le champ commande est un mot de 8 bits, décrit ci contre.

1-3On distingue 3 formats possibles de trame : trames I transportant l’INFORMATION,trames S pour la SUPERVISION et trames U pour le transport de trames non numérotées (UNNUMBERED). Le champ commande est à priori prévu sur 8 bits mais peut être étendu à 16 lorsque après négociation et passage en mode connecté on souhaite bénéficier d’une numérotation plus importante (N(S) & N(R) sur 7 bits). Le champ adresse contient un indicateur permettant de distinguer si la trame HDLC
émise est une commande ou une réponse. Ensuite on différencie selon le cas s’il s’agit
de l’adresse du destinataire auquel la commande s’adresse, ou bien s’il s’agit de l’adresse de celui qui rend la réponse à une commande précédemment passée. On trouvera également une adresse générale (dite de broadcast) permettant de diffuser l’information à plus d’un destinataire.
Suivant le cas on aura :

1-4

 

Armé de ces trames un protocole fiabilisé se dégage. On a à notre disposition :

  • SABM (Set Asynchronous Balanced Mode) pour faire la demande de connexion. Cette demande est faite en utilisant une trame non numérotée (U) mais sera acquittée explicitement par une trame UA (Unnumbered Acknowledgement) portant en partie informative la commande SABM initiatrice de la connexion.
  • DISC (acquittée similairement via UA) permet de demander l’arrêt de la
    connexion. DM rend compte de l’état de déconnexion de la liaison.
  • En mode connecté on utilisera alors les trames I pour envoyer l’information et les trames de supervision pour gérer la liaison en terme de flux et d’acquittement.
  • Dans ce mode, l’acquittement se fait via la numérotation explicite des trames émises N(S) et des trames attendues N(R). Ce mode de numérotation (de 0 à 7 modulo 8 en mode normal) permet d’anticiper l’émission de plusieurs trames avant d’avoir l’acquittement de la toute première émise. Pour une numérotation modulo 2N on peut anticiper l’émission sur une fenêtre de taille W = 2N-1 Ainsi pour une numérotation modulo 8 la fenêtre d’anticipation sera W = 7, pour un modulo 128 on aura alors W=127. Les trames de supervision spécifiques permettent d’aider dans la gestion du flux.

En GSM le HDLC s’est décliné en LAPD (BTS vers BSC) et en LAPDm (LAPD modifié entre MS et BTS). Les principes de ces modes dérivés sont les mêmes que ceux régissant le protocole HDLC. Les différences concernent des points particuliers.

LAPD utilise à la base une version étendue de HDLC. Les champs adresse et commande sont des champs de 16 bits. Ainsi au niveau numérotation on travaille modulo 128 et ainsi la fenêtre d’anticipation est large et vaut 64. De plus la partie informative a une taille variable limitée 260 octets. Le champ commande permet outre la différenciation Commande/Réponse (1 bit C/R) d’étendre la notion d’adresse à TEI (7 bits) spécifiant l’élément terminal (la carte
adressée par exemple) et au SAPI (6 bits) concerné.

Ce SAPI permet de distinguer les entités de niveau 3 utilisant la même liaison de données (entre une BTS et son BSC il y a souvent une seule liaison de données mais beaucoup d’utilisateurs potentiels). On distinguera pour le LAPD GSM le SAPI n° 0 pour la signalisation, le SAPI n° 16 pour le transfert de data en mode paquet, le SAPI n°63 pour la signalisation dédiée à la gestion de la liaison. Par cette définition d’adresse (TEI, SAPI) on cherche à optimiser le multiplexage des connexions.

LAPDm est une version expurgée de LAPD. Du fait que le support de transmission est le canal radio, il convient de veiller à ce que la taille d’une trame LAPDm soit petite. Avant d’aller plus loin sur le LAPDm il nous faut dire ici brièvement en quoi consiste l’interface radio. Ce niveau (entre MS et BTS) sera décrit dans un chapitre complet. Il convient ici juste de considérer le canal radio comme étant un canal pouvant être configuré de manière unidirectionnelle pour du trafic ou pour de la signalisation. Cette signalisation est soit globale à la cellule (canaux
descendants broadcastés vers tous les MS – [FCH pour la synchronisation physique | SCH pour la synchronisation système | BCCH pour les informations systèmes du réseau] ou canaux montants utilisables par tous les MS pour envoyer des informations au réseau [RACH pour l’accès initial des mobiles)] soit dédiée à une communication. Cette
communication étant bidirectionnelle la signalisation associée garde cette spécificité. Lorsque la communication n’est pas encore établie on utilisera le canal SDCCH pour communiquer. Si la communication est en cours, le canal SACCH s’occupera de la signalisation lente (SMS en cours de communication – diffusion par le réseau de nouveaux paramètres systèmes – envoi par le MS de rapports de mesures) et le FACCH de la signalisation rapide (ordres de handover).

Le LAPDm est le protocole qui sera utilisé sur SACCH, SDCCH ou FACCH et permettra l’envoi et la sécurisation de la signalisation associée. La ressource radio est une denrée rare à utiliser rarement. On limite donc en LAPDm la taille informative. On limite à 20octets pour le SDCCH et le FACCH et à 18 sur le SACCH. La taille d’une trame LAPDm est fixe. Elle est de 23 octets utilisée en mode SDCCH/FACCH et de 21 octets en mode SACCH. S’il le faut on procédera à
du bourrage pour atteindre la taille maximale. A l’inverse on pourra être amené à découper une trame plus grande que 20 octets (ou 18) en sous trames compatibles avec la taille LAPDm moyennant un réassemblage final avant délivrance aux niveaux supérieurs.

On dégraisse tout :

  • absence de fanion de début et fin due à la taille fixe de la trame.
  • champ adresse allégé (SAPI 3 bits / C/R 1 bit) mais plus de TEI. Dans GSM seuls deux SAPI sont utilisés à ce niveau. La signalisation utilise le SAPI 0 tandis que le service de messagerie SMS prend le 3.
  • le champ contrôle est celui du protocole HDLC classique (permettant une numérotation modulo 8 et ainsi une anticipation de 4).
  • ajout d’un nouveau champ indiquent le bit M (pour MORE) en cas de segmentation & réassemblage et un champ longueur pour indiquer la taille effective de l’information envoyée. 3 Octets en tout

La fiabilisation d’une liaison est due à l’utilisation du mode connecté. En LAPD si on peut considérer que toutes les connexions sont établies entre BTS et BSC en mode connecté cela n’est pas toujours le cas coté LAPDm.

On distingue :

  • Le service SMS (SAPI 3) qu’il soit sur SDCCH (établissement d’un lien spécifique pour lui) ou sur SACCH (on profite d’une communication déjà établie) la transmission se fait en LAPDm connecté.
  • La signalisation (SAPI 0) est toujours en LAPDm non connecté sur le SACCH (remontée périodique d’informations tolérant la perte – rapport de mesures) en FACCH ou SDCCH on préférera le mode connecté au mode non connecté. Par exemple les ordres de Handover (sur FACH) sont en LAPDm connecté, la signalisation pré ou post appels (sur SDCCH) également. Mais la norme n’impose pas violemment dans ce cas le mode.

Le niveau 1 coté équipement du réseau terrestre (BTS/BSC/MSC) s’appuie sur les principes de transmissions numériques sur voies MIC à 64 kbits/s. Pour le trafic ces tuyaux sont dimensionnés à la capacité du trafic (IT à 64 kbits pour l’interface A car la parole est décompressée / IT à 8 ou 16 kbits/s pour l’Abis). Pour la signalisation on dimensionnera suivant la taille des équipements le nombre d’IT dédiées à la signalisation inter équipement.

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