Chapitre 3 Les caractéristiques de l'interface Air

3.1 Partage des ressources radio

La bande radio représente la ressource rare et le premier choix architectural fût le découpage du spectre alloué dans un plan temps / fréquence pour obtenir des canaux physiques pouvant supporter une communication téléphonique.

Multiplexage fréquenciel (FDMA)

Le GSM opère dans la bande des 900 MHz, où 2 fois 25 MHz de bande ont été alloués. Les deux parties correspondent au sens montant et au sens descendant de la liaison (uplink et downlink). La largeur des canaux étant de 200 kHz, on obtient 124 canaux duplex qui ont été répartis entre les deux opérateurs GSM français : SFR et Itinéris (France Télécom). La SFR utilise les canaux 63 à 124. Les bandes des deux liaisons ont en outre été séparées par 20 MHz, ce qui porte à 45 MHz l'écart duplex. Sur une bande, on émet des signaux modulés autour d'une fréquence porteuse qui siège au centre de la bande.

Multiplexage temporel (TDMA)

Pour le GSM, chaque porteuse est divisée en intervalles de temps (IT) appelés slots. La durée d’un slot a été fixée à Tslot = (75/130) ms = 0.5769 ms. Un slot accueille un élément de signal radioélectrique appelé burst.

A chaque time slot, on associe un nombre connu par la station de base (BS) et le mobile (MS). Le numérotage des slots est cyclique de durée 3,5 heures. L’accès TDMA (Time Division Multiple Access) permet de partager entre différents utilisateurs une bande de fréquence donnée et, sur une même porteuse, les slots sont regroupés par paquet de 8 : Ttdma = 8.Tslot = 4,6152 ms. Chaque utilisateur utilise alors un slot de la trame TDMA.

On considère aussi les multitrames, les supertrames et les hypertrames, fonctions de la trame TDMA et définies comme telles : hypertrame = 2048 supertrames = 2048*51 multitrames = 2048*51*26 trames TDMA.

Compensation du temps de propagation aller - retour : Timing Advance (TA) :

Les utilisateurs d’un système cellulaire sont à des distances variables de leur station de base et subissent des délais de propagation tp différents (à titre indicatif 30 km sont parcourus en 100µs). Dans le contexte TDMA, il est ainsi nécessaire que deux mobiles qui utilisent deux slots consécutifs n’envoient pas des bursts qui se chevauchent au niveau du récepteur de la BTS. Le délai de propagation peut atteindre quelques centaines de ms (très faible par rapport aux systèmes satellitaires) mais on ne peut pas le négliger car dans le cadre du GSM certaines cellules atteignent 35 km.

La solution est de compenser ce délai avec le paramètre d'avance en temps TA (Time Advance) correspondant au temps de propagation aller-retour (2.tp). Pour illustrer, on considère deux mobiles dans la même cellule : le premier mobile MS1 est en limite de cellule alors que le second mobile MS2 se trouve près de la BTS. On suppose que les deux mobiles utilisent des slots consécutifs sur la même porteuse : MS1 émet sur le slot 1 et MS2 émet sur le slot 2.

En l’absence de compensation de temps de propagation tp, les bursts émis par chacun des mobiles MS1 et MS2 se chevaucheront au niveau de la réception de la BTS :

En effectuant une gestion du paramètre TA, les bursts émis par les deux mobiles ne se chevauchent plus. Le mobile le plus éloigné avance l'émission de chacun de ces slots d'une durée tp par rapport à l'instant de début de slot, c'est à dire 2tp=TA.

Bilan

Avec 62 canaux et 8 intervalles de temps par canal, on a donc un système qui allie un multiplex fréquentiel (FDMA - Frequency Division Multiple Access) et un multiplex temporel (TDMA - Time Division Multiple Access). Un canal physique est donc défini par :

. un numéro de Time Slot TS (dans une trame TDMA).
. une fréquence (ou une loi de saut de fréquence si le saut de fréquence lent est implanté).

Ainsi, il apparaît de manière évidente que la capacité d’un réseau GSM est limitée par son nombre de fréquences. C’est pourquoi la réutilisation de ces dernières est nécessaire.

La modulation choisie pour le GSM est la modulation GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying : modulation avec porteuse à minimum de saut de phase, gaussienne pour "arrondir" les angles des changements).

Le codage de la parole peut se faire se faire de manière traditionnelle ou avec l’utilisation de l’EFR (Enhanced Full Rate) qui correspond à un logiciel de codage de la parole plus évolué que le précédent. C’est le son haute résolution.

Un mobile accède donc au réseau de manière discontinue dans le temps. Il envoie des rafales d'informations (appelés Burst), d'une durée exacte de 156,25 bits, occupant toujours un même intervalle de temps (Time Slot) sur un canal. L'accès au canal montant et au canal descendant se fait toujours de façon décalée: il y a 2 slots de décalage entre le sens uplink et le sens downlink. Ce décalage permet notamment un filtrage duplex plus simple. On a donc 4 time slots qui permettent au mobile de faire des mesures et scruter les canaux des cellules adjacentes dans une phase appelée "monitor".

3.2 Canaux logiques

L’interface radio représente la partie délicate de la chaîne de transmission et le système doit faire face aux différents problèmes du lien mobile-réseau au niveau de la propagation (atténuation, évanouissements, interférences...), mais aussi au niveau de la gestion du réseau : il est nécessaire d’avoir des fonctions de contrôle pour que le mobile se rattache à la station de base la plus favorable, pour établir et surveiller le déroulement d’une communication ou encore assurer le handover. L’utilisation de canaux logiques va permettre une utilisation efficace des ressources radio et une qualité de service satisfaisante. Parmi ces canaux on distingue les canaux dédiés (TCH et SDCCH), c’est à dire alloué à un mobile. Les autres canaux sont des canaux partagés entre mobiles.

Canaux dédiés : « Dedicated Channel »

Sur un canal physique on peut placer soit un TCH avec son SACCH associé, soit 8 canaux SDCCH avec leurs SACCH associés : SDCCH »TCH / 8.

TCH et SDCCH

On distingue les canaux dédiés transportant des informations utilisateur ou provenant des couches hautes du système :

. canaux de trafic TCH (Traffic CHannels) : transmission de la parole à 13 kbits/s (TCH/FS), à 5,6 kbits/s en demi-débit (TCH/HS) ou des données à 12 kbits/s.
. canaux de signalisation SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channel) : débit de 800 bits/s.

L’utilisation du Half Rate (canal TCH demi-débit) permet d’augmenter de manière considérable la capacité du réseau. En effet, deux canaux TCH peuvent « s’installer » sur un seul Time Slot. Néanmoins, l’utilisation de cette fonctionnalité ne peut se faire que par des mobiles dits phase 2.

SACCH

On ne peut pas dédier un canal à un mobile sans effectuer un contrôle constant pour ajuster des paramètres afin de conserver une bonne qualité de communication. Associé aux canaux SCH et SDCCH, le canal de contrôle SACCH (Slow Associated Control CHannel) permet d’en effectuer la supervision (contrôle de puissance, contrôle de la qualité du lien radio, compensation du délai de propagation par le mécanisme d’avance en temps, gestion des mesures des stations voisines).

FACCH

Le canal SACCH permet d’écouler différents types de contrôles ou de signalisation mais son débit étant trop faible, il ne convient pas aux actions rapides comme le handover. Si le canal alloué est un TCH, on suspend la transmission des informations usagers afin d’écouler la signalisation. On obtient donc un autre canal de signalisation, le FACCH (Fast Associated Control Channel), on utilise alors une partie de la capacité. Si le canal alloué est un SDCCH, il peut écouler lui même la signalisation comme par exemple un handover.

Voie balise : « Beacon Channel »

La voie balise permet au mobile de se raccorder en permanence à la station de base la plus favorable. Le mobile mesure la puissance du signal reçu de la voie balise correspondant à une fréquence particulière de l’ensemble des fréquences allouées à cette station. Lors d’une mise sous tension, pendant l’état de veille et pendant une communication, le mobile scrute les voies balises pour connaître les stations avoisinantes susceptibles de l’accueillir en cas de handover. Dans le cadre du GSM, la voie balise d’une station correspond aux deux éléments suivants :

. une fréquence-balise sur laquelle est émis en permanence un signal modulé de puissance constante qui permet aux mobiles de faire des mesures en puissance.

. canaux de broadcast : ils permettent aux mobiles d’accrocher au système local en acquérant tous les paramètres analogiques et logiques nécessaires.

FCCH

Le canal FCCH (Frequency Correction CHannel) permet aux mobiles de se caler sur la fréquence nominale de la station de base. C’est un signal sinusoïdal parfait de fréquence f0 permettant un calage fin de l’oscillateur du mobile et il est émis environ 20 fois par seconde.

SCH

Le canal SCH (Synchronisation CHannel) fournit au mobile tous les éléments nécessaires à une complète synchronisation avec la station de base et il permet de caractériser la voie balise par un marquage spécial. On peut alors distinguer deux types de synchronisation :

· synchronisation fine : détermination du TA (Timing Advance). La BTS effectue une estimation du temps de propagation aller-retour à partir du burst RACH émis par le mobile, et le paramètre TA ainsi calculé sera transmis de manière logique via le canal AGCH.

· synchronisation logique : détermination du FN (Frame Number). La réception du SCH permet donc au mobile de calculer le numéro FN de trame dans l’hypertrame et de se caler sur le slot 0.

BCCH

Le canal BCCH (Broadcast Control CHannel) permet de diffuser des données caractéristiques de la cellule. Il comprend la diffusion régulière d’informations systèmes de plusieurs types, et cette diffusion est plus ou moins rapide suivant la nécessité du mobile. Ces informations déterminent les règles d’accès à la cellule : paramètres de sélection de la cellule, numéro de zone de localisation, les paramètres RACH donnant les règles d’accès aléatoire, indication au mobile des slots à écouter pour détecter les appels diffusés, description de l’organisation du canal CBCH, connaissance des fréquences des voies balises des cellules voisines.

Canaux de contrôle communs : « Common Control Channel »

RACH

Le canal RACH (Random Access CHannel) est un canal de contrôle partagé par un ensemble de mobiles qui leur permet de se signaler au réseau pour effectuer une opération telle que la localisation, l’envoi de messages courts, l’appel normal...

AGCH

Le canal AGCH (Access Grant CHannel) permet d’allouer un canal de signalisation lorsque l’infrastructure reçoit une requête du mobile. On peut alors identifier, authentifier et déterminer la demande du mobile. Le message d’allocation contient le numéro de porteuse et de slot, ainsi qu’une description du saut de Fréquence FH.

PCH

Le canal PCH (Paging CHannel) supporte l’ensemble des appels en diffusion (Paging). Lorsque l’infrastructure désire communiquer avec un mobile, pour un appel ou une authentification par exemple, elle diffuse l’identité du mobile sur un ensemble de cellules et les messages sont transmis sur le canal PCH. La réponse du mobile s’effectue alors de manière aléatoire sur la cellule dans laquelle il se trouve sur le canal RACH.

CBCH

Le canal CBCH (Cell Broadcast CHannel) diffuse aux usagers de la cellule des messages courts comme des informations routières, météo..

3.3 Gestion des fréquences

Principe de réutilisation des ressources

Les ondes radioélectriques sont aujourd'hui le seul moyen que l'on ait trouvé pour rendre possible les communications mobiles. Malheureusement, le spectre radioélectrique est une ressource limitée, déjà largement sollicitée par ailleurs. Le concept de motif cellulaire a donc été introduit pour permettre la réutilisation d'une même fréquence dans des endroits différents.

Le principe de la réutilisation des fréquences repose sur l'atténuation que subissent les ondes radio lorsqu'elles se propagent dans l'atmosphère. Lorsqu'on se trouve assez loin d'un émetteur, le signal envoyé par celui-ci est très faible. On peut alors utiliser la même fréquence que l'émetteur lointain sans crainte d'interférences, le signal local étant beaucoup plus puissant que le signal lointain.

Le GSM utilise donc un réseau maillé, formé d’émetteurs disséminés sur la zone à couvrir. Deux émetteurs voisins utilisent des fréquences différentes, mais des émetteurs éloignés réutilisent les mêmes fréquences selon le principe énoncé plus haut. En pratique, le terrain est "découpé" en petites zones, appelées cellules, caractérisées chacune par une fréquence précise. On réunit un certain nombre de cellules utilisant des fréquences différentes pour former un motif. On répète alors ce motif pour couvrir tout le territoire, permettant ainsi à partir d’un nombre de fréquences limité de mettre en place un grand nombre d'émetteurs.

Exemple de motif à 3 cellules
(les cellules portant le même chiffre utilisent la même fréquence).

Chaque émetteur nécessite une infrastructure complexe pour fonctionner et dialoguer tant avec l'ensemble du réseau qu'avec les téléphones mobiles présents sur sa zone de service. On appelle cette infrastructure "station de base". Un réseau de radiotéléphonie cellulaire se compose donc d'un ensemble de stations de base réparties sur la zone géographique à couvrir.

Code de couleur BSIC

La même fréquence peut être utilisée pour supporter la voie balise de deux stations suffisamment éloignées. Les deux stations ne se brouillent pas sur leur zone de service respective mais un mobile situé à mi-distance peut recevoir alternativement l’une ou l’autre station avec un niveau de champ suffisant. Afin de différencier les deux stations, on utilise le code de couleur BSIC. Le couple (fréquence, BSIC) permet sur un zone donnée de déterminer parfaitement une cellule. A l’intérieur d’un motif, on utilise le même BSIC. Ainsi, les cellules voisines (cellules de fréquences de voie balise identique) ne font pas partie du même motif.

Motif de taille 7, la fréquence indiquée est celle de la voie balise.

Notion sur les brouillages

Comme cela est expliqué auparavant, un des principes de base du GSM est la réutilisation des fréquences. Cela entraîne ainsi des recouvrements de spectre concernant un même canal présent sur deux sites différents. De plus, du fait de la non-perfection des filtres présents à l’émission des ondes électromagnétiques, la bande de 200 kHz séparant deux canaux GSM adjacents n’est pas suffisante pour se prémunir contre les brouillages adjacents.

Ainsi pour se prémunir contre des brouillages internes au réseau, il convient de vérifier les règles suivantes :

· en co-canal : le rapport signal à bruit doit être supérieur à 9 dB.
· en canal adjacent : le rapport signal à bruit doit être supérieur à -9 dB.

Ainsi, lors de la planification des fréquences sur les sites du réseau, les règles élémentaires suivantes sont systématiquement respectées :

· sur une même cellule : les fréquences utilisées doivent être distantes d’au moins 600 MHz, soit trois canaux d’écart.
· sur un même site (dans le cadre de la trisectorisation): les fréquences utilisées doivent être distantes d’au moins 400 MHz, soit deux canaux d’écart.

Saut de fréquence : « Frequency Hopping »

A l’origine, le mécanisme de saut de fréquence fut introduit dans les systèmes militaires. Le réseau SFR utilise aujourd'hui ce procédé. Il consiste pour un émetteur à changer régulièrement de fréquence pour obtenir une diversité de fréquence et ainsi, diversifier ses brouilleurs. L’interface radio du GSM utilise le saut de fréquence lent (SFH, Slow Frequency Hopping) qui consiste à changer de fréquence à chaque émission de message ou de burst. Il permet de lutter contre les évanouissements sélectifs (diversité de fréquence) et apporte une gestion différente en moyennant le niveau d’interférence global sur toutes les porteuses (diversité des brouilleurs).

Saut de fréquence.

En changeant de fréquence à chaque émission de burst ou de message, le mobile est brouillé par des mobiles différents à chaque émission. Ainsi, le pire des cas peut toujours se produire mais seulement de temps en temps. Grâce à l’efficacité du codage et de l’entrelacement, le signal peut être correctement reçu même si le C/I de certains échantillons est inférieur au seuil de la communication. Dans l’exemple ci-dessus, le signal venant de A est interféré par M, N et O. Mais le fait que le C/I moyen soit supérieur au seuil de la communication fait que la communication n’est pas brouillée. Ensuite, on numérote les fréquences de saut de 0 à N-1 et un algorithme, défini dans la norme, génère une suite pseudo-aléatoire de nombres (si) avec 0 <= si <= N-1. Il utilise comme argument le numéro de trame FN (Frame Number), chaque trame TDMA étant repérée par ce compteur dans l’hypertrame, et un paramètre HSN (Hopping Sequence Number) compris lui aussi entre 0 et 63. La BTS précise au mobile un index MAIO (Mobile Allocation Index Offset) compris entre 0 et N-1 lors de l’allocation d’un canal. Le mobile peut alors déterminer la fréquence à utiliser en ajoutant (modulo N) l’index MAIO au nombre si. Le nombre N de fréquences à prendre en compte est précisé pour chaque numéro de slots.

En combinant la technique TDMA et la technique du saut de fréquence FH, on obtient la méthode de base d’accès du GSM : FH/TDMA. Le saut de fréquence n’est pas activé lorsque la charge du réseau est faible mais lorsque le SFH est actif, le canal physique utilise un ensemble de porteuses parcourues selon une séquence de saut. Cette séquence peut être cyclique ou pseudo-aléatoire, et elle est définie sur un ensemble de N (<=64) fréquences attribuées à la BTS. Le saut de fréquence n’est possible qu’au sein d’une même bande, il n’y a pas pour l'instant de combinaisons de fréquences entre GSM 900 et DCS 1800.

On distingue deux types de saut de fréquence :

• le saut de fréquence en bande de base :
  Comme d’habitude, à chaque TRX installé sur la cellule, on fait correspondre une fréquence particulière.
  C’est le Time Slot considéré qui « saute » sur tous les TRX toutes les trames TDMA.
  Le Time Slot 0 de la FU1, qui correspond au BCCH, ne saute pas.

• le saut de fréquence synthétisé:
  Le nombre de fréquences sur lesquelles on « saute » est supérieur au nombre de TRX installés sur la cellule. On peut « sauter » sur toute la bande GSM allouée s’il on veut.
  C’est le TRX qui change de fréquence toutes les trames TDMA. Le Time Slot ne « saute » plus.
  La FU1 supportant le BCCH ne « saute » pas.

3.4 Performance de l’interface Air

Pour juger la qualité de la liaison radio nous avons deux paramètres à notre disposition: le Rxlev et le Rxqual. Ces derniers sont mesurés au niveau de la BTS pour juger la qualité de la liaison montante et au niveau du mobile pour juger la qualité de la liaison descendante.

Niveau reçu RxLev

Le niveau de champ provenant de la BTS mesuré au niveau du mobile s'appelle le Rxlev. Il est mesuré sur 64 niveaux, de 0 à 63 représentants respectivement les puissances de -110 à -48 dBm par pas de 1 dB. On distingue alors le Rxlev Full qui est une mesure sur tous les bursts de la trame sans exception, du Rxlev Sub qui est une mesure sur les bursts effectivement utilisés. Ce dernier cas se présente lorsqu'on économise la puissance du mobile en mettant à profit la possibilité DTX (Discontinuous Transmission). La transmission discontinue consiste à interrompre l'émission pendant les silences de parole pour diminuer l'énergie émise sur la voie radio d’où une réduction de la consommation des batteries des mobiles et une diminution du niveau moyen d'interférences. Il en est de même au niveau de la BTS. A noter que, si un TMA est installé sur le site, les mesures de niveau de champ se font après celui-ci.

Qualité du signal RxQual

La qualité du signal est mesurée via le paramètre Rxqual. Il est obtenu en effectuant une quantification du taux d'erreurs binaires BER (Bit Error Ratio) suivant la correspondance du tableau suivant :

Correspondance entre le niveau de qualité et le taux d’erreur binaire.

Il faut noter que ces mesures de Rxqual se font, sur les deux liaisons, avant le code correcteur d’erreur.