LES RESEAUX LONGUE DISTANCE (partie 6/6)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce cours, l’élève sera capable de :** - Décrire l’architecture fonctionnelle du réseau GSM (stations de base, contrôleurs, cœur de réseau) et expliquer le rôle de chaque entité. - Expliquer les procédures de signalisation (SS7, MAP) qui permettent la localisation, l’authentification et le chiffrement des communications. - Détailler le fonctionnement d’un terminal GSM : composants RF, baseband, carte SIM et séquences d’accès au réseau. - Réaliser un calcul simple de dimensionnement (nombre de canaux voix disponibles dans une cellule) et interpréter les résultats. - Identifier les principales erreurs de configuration ou d’utilisation et appliquer les règles de sécurité liées aux équipements GSM. **Prérequis :** - Notions de base en électrotechnique (tension, courant, puissance) et en théorie des signaux (modulation, bande passante). - Connaissance des couches OSI et du modèle TCP/IP (notamment la couche liaison). - Familiarité avec les concepts de multiplexage en temps (TDM) et de fréquence (FDM). --- ## Introduction contextualisée Le GSM (Global System for Mobile Communications) reste, malgré l’avènement de la 4G/5G, la technologie de référence pour les communications vocales et les services de données de base dans de nombreuses zones rurales et périurbaines du Cameroun. Les opérateurs tels que MTN, Orange Cameroon et Nexttel s’appuient encore sur des réseaux GSM pour assurer la couverture nationale, notamment dans les régions où le déploiement de la fibre optique ou des antennes 4G est économiquement peu viable. Comprendre le fonctionnement du réseau GSM et du terminal permet aux futurs techniciens supérieurs en systèmes de réseaux et de télécommunications d’intervenir efficacement sur les équipements de terrain (BTS, BSC, MS) et de garantir la qualité de service ainsi que la conformité aux normes de sécurité édictées par l’ART (Agence de Régulation des Télécommunications du Cameroun). --- ## I. Leçon 21: Fonctionnement du réseau GSM partie 1 ### 1. Architecture du réseau GSM Le réseau GSM est organisé en trois sous‑systèmes principaux : | Sous‑système | Entités principales | Fonction clé | |--------------|--------------------|--------------| | **Sous‑système radio (BSS)** | BTS (Base Transceiver Station), BSC (Base Station Controller) | Gestion de l’interface radio, contrôle de la puissance d’émission, allocation des timeslots. | | **Sous‑système réseau (NSS)** | MSC (Mobile Switching Center), VLR (Visitor Location Register), HLR (Home Location Register), AUC (Authentication Center), EIR (Equipment Identity Register) | Commutation des appels, gestion de la mobilité, authentification, chiffrement, suivi des équipements. | | **Sous‑système de soutien (OSS)** | OMC (Operation and Maintenance Center), Billing Center | Supervision, maintenance, facturation. | > **Définition** : Une **BTS** est l’équipement qui émet et reçoit les ondes radio vers les terminaux mobiles dans une cellule donnée. > **Définition** : Le **BSC** contrôle plusieurs BTS, gère le handover (transfert d’appel entre cellules) et alloue les ressources radio. ### 2. Protocoles de signalisation La signalisation GSM repose sur le protocole **SS7** (Signalling System No. 7) adapté au contexte mobile par le **MAP** (Mobile Application Part). Les flux de signalisation permettent : - **Localisation** : mise à jour du VLR lorsqu’un terminal change de zone de localisation (LA). - **Authentification** : échange d’un challenge‑response entre l’AUC et le terminal via la clé secrète Ki stockée sur la SIM. - **Chiffrement** : génération d’une clé de session Kc à partir de Ki et d’un nombre aléatoire RAND ; utilisation de l’algorithme A5/1 (ou A5/2 dans certaines versions) pour chiffrer les trames voix/données. > **Règle** : L’algorithme A5/1 utilise trois registres à décalage linéaire feedback (LFSR) de longueurs 19, 22 et 23 bits, totalisant 64 bits. Sa connaissance est réservée aux opérateurs agréés pour éviter les interceptions illicites. ### 3. Gestion de la mobilité Deux procédures essentielles assurent la continuité du service : - **Location Update** : périodique ou déclenché par un changement de LA ; le terminal envoie un message *Location Updating Request* au BSC, qui le transmet au MSC/VLR. - **Handover** : lorsqu’un terminal se déplace vers une cellule voisine avec un meilleur niveau de réception, le BSC ordonne un *handover* sans coupure audible. Le processus implique la mesure du niveau RSSI (Received Signal Strength Indicator) sur les canaux BCCH (Broadcast Control Channel) des cellules adjacentes. > **Formule** : Le niveau de réception en dBm est donné par > \[ > \text{RSSI}_{\text{dBm}} = P_{\text{tx}} - L_{\text{path}} + G_{\text{tx}} + G_{\text{rx}} > \] > où \(P_{\text{tx}}\) est la puissance d’émission (en dBm), \(L_{\text{path}}\) l’atténuation du trajet, \(G_{\text{tx}}\) et \(G_{\text{rx}}\) les gains des antennes émettrice et réceptrice. ### 4. Sécurité de base Le GSM intègre trois niveaux de sécurité : 1. **Sécurité d’accès** : authentification mutuelle (réseau ↔ terminal) via le procédé décrit ci‑dessus. 2. **Sécurité de la confidentialité** : chiffrement A5/1 des trames voix et des données de signalisation sur l’interface radio. 3. **Sécurité de l’intégrité** : le GSM ne fournit pas de mécanisme d’intégrité dédié pour la signalisation ; l’intégrité des messages repose sur les protocoles de couche supérieure (ex. : couches application) ou sur les évolutions ultérieures (UMTS/LTE). > **À retenir** : La clé secrète Ki ne quitte jamais la SIM ; toute tentative d’extraction constitue une violation de la loi camerounaise sur la protection des données personnelles (loi n° 2010/012 du 21 décembre 2010). --- ## II. Leçon 22: Fonctionnement du terminal GSM partie 2 ### 1. Composants du terminal (Mobile Station – MS) Un terminal GSM se compose essentiellement de trois blocs fonctionnels : | Bloc | Fonction | Exemple de composant | |------|----------|----------------------| | **Front‑end RF** | Filtre passe‑bande, amplificateur de puissance (PA), synthétiseur de fréquence | Filtre SAW, PA GaAs, VCO (Voltage Controlled Oscillator) | | **Baseband DSP** | Démodulation, décodage de canal, traitement de la voix (codec GSM FR/HR/EFR), gestion de la pile protocolaire (L1‑L3) | DSP Texas Instruments C55x, codec AMR | | **Interface SIM** | Lecture/écriture de la carte à puce (authentification, stockage de Ki, IMSI) | Connecteur ISO 7816, microcontrôleur SIM | > **Définition** : L’**IMSI** (International Mobile Subscriber Identity) est un numéro unique de 15 chiffres qui identifie l’abonné auprès du HLR. ### 2. Procédures d’accès au réseau Lorsqu’un terminal est allumé, il exécute la séquence suivante : 1. **Recherche de cellule** : le MS balaye les fréquences du bande GSM (890‑915 MHz pour l’uplink, 935‑960 MHz pour le downlink) afin de détecter le signal BCCH le plus puissant. 2. **Synchronisation** : acquisition du canal de synchronisation (SCH) pour obtenir le numéro de frame TDMA et l’identifiant de la cellule (BCC). 3. **Accès aléatoire (Random Access)** : transmission d’un burst court sur le canal RACH (Random Access Channel) contenant un *random access preamble* choisi aléatoirement parmi 64 possibilités. 4. **Réponse du réseau** : le BSC répond sur le canal AGCH (Access Grant Channel) en allouant un canal dédié (SDCCH) pour la suite de la procédure. 5. **Authentification et chiffrement** : échange des messages *Authentication Request/Response* et activation du chiffrement A5/1. 6. **Établissement du canal de signalisation (SDCCH → TCH/FACCH)** : le terminal passe ensuite à un canal de trafic (TCH) pour la voix ou les données. > **À retenir** : Le délai maximal entre l’envoi du préambule RACH et la réception du grant AGCH ne doit pas dépasser 200 ms selon la spécification GSM 05.02. ### 3. Gestion de l’appel - **Setup** : l’utilisateur compose le numéro ; le MS envoie un *CM Service Request* sur le SDCCH, suivi d’un *Setup* contenant le numéro appelé. - **Connect** : le réseau retourne un *Connect* ; le canal voix (TCH/F) est activé et le codec GSM FR (13 kbps) commence à coder/décoder la parole. - **Release** : soit l’utilisateur raccroche (*Disconnect*), soit le réseau libère le canal (*Release*). Le MS effectue alors une mesure de puissance pour préparer un éventuel handover. ### 4. Consommation énergétique et normes de sécurité - La consommation moyenne d’un terminal en veille est de l’ordre de **2 mA** à 3,7 V (≈ 7,4 mW). En conversation, elle monte à **150‑200 mA** (≈ 0,55‑0,74 W) selon la puissance d’émission nécessaire (jusqu’à 2 W en bande GSM 900). - Les équipements doivent respecter le **SAR** (Specific Absorption Rate) limité à **2,0 W/kg** sur 10 g de tissu selon la norme CEI 62209‑1, contrôlée par l’ART lors de l’homologation des terminaux vendus au Cameroun. > **Règle de sécurité** : Lors de la maintenance d’un BTS, il est obligatoire de couper l’alimentation RF et de porter des gants antistatiques afin d’éviter les décharges électrostatiques qui pourraient endommager les composants RF sensibles. --- ## Synthèse du chapitre - Le réseau GSM se compose du BSS (BTS + BSC), du NSS (MSC + VLR/HLR/AUC/EIR) et de l’OSS (OMC + facturation). - La signalisation repose sur SS7/MAP ; elle assure localisation, authentification (Ki ↔ RAND → SRES) et chiffrement (A5/1). - La mobilité est gérée par les procédures de *Location Update* et de *Handover* basées sur les mesures RSSI sur le BCCH. - Le terminal MS comprend un front‑end RF, un DSP baseband et une interface SIM ; son accès au réseau suit les étapes : recherche de cellule → synchronisation → accès aléatoire (RACH) → grant (AGCH) → authentification/chiffrement → établissement du canal de trafic. - Un appel voix passe par les phases *Setup*, *Connect* et *Release* ; le codec GSM FR utilise 13 kbps par timeslot. - La consommation en veille est faible (~7 mW) ; en conversation elle peut atteindre 0,7 W, avec une limite SAR de 2,0 W/kg imposée par l’ART. - Les règles de sécurité incluent la protection de la clé Ki dans la SIM, l’interdiction d’extraction non autorisée, et les précautions antistatiques lors de l’intervention sur les équipements RF. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | **BTS** | Base Transceiver Station : équipement radio qui émet et reçoit les signaux vers les terminaux dans une cellule. | | **BSC** | Base Station Controller : contrôle plusieurs BTS, gère le handover et l’allocation des timeslots. | | **MSC** | Mobile Switching Center : commutateur qui établit et relâche les appels voix et gère la mobilité. | | **HLR** | Home Location Register : base de données centrale contenant les profils d’abonnés (IMSI, services autorisés, clé Ki). | | **VLR** | Visitor Location Register : registre temporaire stockant les données des abonnés actuellement situés dans la zone du MSC. | | **AUC** | Authentication Center : génère les vecteurs d’authentification (RAND, SRES, Kc) à partir de la clé Ki. | | **EIR** | Equipment Identity Register : liste des IMEI autorisés, interdits ou à surveiller (volés, frauduleux). | | **IMSI** | International Mobile Subscriber Identity : numéro unique identifiant l’abonné auprès du HLR. | | **IMEI** | International Mobile Equipment Identity : numéro unique identifiant le terminal mobile. | | **Ki** | Clé secrète stockée dans la SIM, utilisée pour l’authentification et le chiffrement. | | **RAND** | Nombre aléatoire généré par le réseau pour le procédé d’authentification. | | **SRES** | Signed Response : réponse de l’abonné au challenge RAND, prouvant la possession de Ki. | | **Kc** | Clé de session dérivée de Ki et RAND, utilisée par l’algorithme A5/1 pour chiffrer les trames radio. | | **A5/1** | Algorithme de chiffrement de flux utilisé dans le GSM pour garantir la confidentialité sur l’interface radio. Il utilise trois registres à décalage linéaire feedback (LFSR) de longueurs 19, 22 et 23 bits, totalisant 64 bits. | | **SAR** | Specific Absorption Rate : mesure de l’énergie électromagnétique absorbée par le corps humain, limitée à 2,0 W/kg sur 10 g de tissu (mesurée selon la norme CEI 62209‑1). | | **RACH** | Random Access Channel : canal d’accès aléatoire utilisé par le terminal pour demander l’accès au réseau. | | **AGCH** | Access Grant Channel : canal qui répond à une demande RACH en allouant un canal dédié (SDCCH). | | **SDCCH** | Stand‑alone Dedicated Control Channel : canal de signalisation utilisé pour l’authentification, le réglage de puissance et le setup d’appel. | | **TCH/F** | Traffic Channel Full rate : canal voix à débit plein (13 kbps) utilisé pour la conversation téléphonique. | | **BCCH** | Broadcast Control Channel : canal qui diffuse les informations système (identifiant de la cellule, liste des fréquences voisines, etc.). | | **SCH** | Synchronization Channel : canal qui permet au terminal de synchroniser son horloge sur la frame TDMA du réseau. | | **LAC** | Location Area Code : identifie une zone de localisation regroupant plusieurs cellules. | | **CSSR** | Call Setup Success Rate : pourcentage de tentatives d’appel qui aboutissent à une connexion réussie. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement des canaux voix **Situation** : Une cellule GSM utilise 3 porteuses (carriers) chacune configurée en mode full‑rate (13 kbps par timeslot). Chaque porteuse possède 8 timeslots TDMA. **Question** : Calculer le nombre maximal de communications vocales simultanées que la cellule peut supporter. **Corrigé** : - Nombre de timeslots par porteuse = 8. - Chaque timeslot supporte une conversation full‑rate. - Nombre de conversations par porteuse = 8. - Avec 3 porteuses : \(N = 3 \times 8 = 24\) communications simultanées. **Réponse** : 24 canaux voix. --- ### Exercice 2 – Budget de liaison (link budget) **Données** : - Puissance d’émission du terminal \(P_{tx} = 23\) dBm (200 mW). - Gain de l’antenne du terminal \(G_{tx} = 0\) dBi. - Gain de l’antenne de la BTS \(G_{rx} = 12\) dBi. - Atténuation du trajet à 1 km à 900 MHz (modèle COST‑231 Hata) approximée à \(L_{path} = 100\) dB. - Seuil de sensibilité du récepteur de la BTS = \(-104\) dBm. **Question** : Déterminer la marge de fade (fade margin) disponible à 1 km. **Corrigé** : Puissance reçue : \[ P_{rx} = P_{tx} + G_{tx} + G_{rx} - L_{path} \] \[ P_{rx} = 23\ \text{dBm} + 0\ \text{dBi} + 12\ \text{dBi} - 100\ \text{dB} = -65\ \text{dBm} \] Marge de fade = \(P_{rx} - \text{Seuil}\) \[ \text{Marge} = (-65) - (-104) = 39\ \text{dB} \] **Réponse** : La marge de fade disponible est de 39 dB, ce qui permet une atténuation supplémentaire importante avant perte de liaison. --- ### Exercice 3 – Vérification du SAR **Données** : Un terminal émet une puissance moyenne de 0,025 W sur 10 g de tissu. La masse du tissu considérée est 10 g. **Question** : Calculer le SAR et vérifier la conformité avec la limite de 2,0 W/kg. **Corrigé** : \[ \text{SAR} = \frac{P}{m} = \frac{0,025\ \text{W}}{0,010\ \text{kg}} = 2,5\ \text{W/kg} \] En GSM, l’émission est pulsée avec un facteur de duty cycle d’environ 1/8 (un timeslot sur huit). Le SAR moyen sur la période est donc : \[ \text{SAR}_{\text{moy}} = 2,5\ \text{W/kg} \times \frac{1}{8} = 0,3125\ \text{W/kg} \] Cette valeur est inférieure à la limite de 2,0 W/kg imposée par l’ART, donc le terminal est conforme. **Réponse** : Le SAR moyen pondéré par le duty cycle est de 0,3125 W/kg, conforme à la limite réglementaire. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de sécurité / bonne pratique | |----|------------------|-------------|------------------------------------| | 1 | Oublier de mettre à jour le VLR après un déplacement de l’abonné (absence de *Location Update*). | L’appel entrant est rejeté car le réseau ne sait pas où localiser le terminal. | Toujours vérifier que le terminal envoie un *Location Updating Request* dès qu’il change de LA ; contrôler les traces du BSC. | | 2 | Utiliser une clé Ki compromise ou clonée sur plusieurs SIM. | Authentification réussie pour un terminal non autorisé → risque d’écoute et de fraude. | Stocker la Ki uniquement dans la SIM sécurisée ; interdire toute copie ou extraction ; appliquer les procédures de gestion des clés définies par l’ART. | | 3 | Négliger le contrôle du gain d’antenne lors du remplacement d’une BTS (antenne trop puissante). | Dépassement du SAR et interférences avec les cellules voisines, dégradation du QoS. | Mesurer le gain d’antenne installé ; s’assurer que le ERP (Effective Radiated Power) reste dans les limites autorisées par la licence (ex. : 43 dBm ERP pour GSM 900). | | 4 | Effectuer une intervention sur un BTS sous tension RF sans porter de gants antistatiques. | Décharge électrostatique pouvant détruire les amplificateurs de puissance ou les filtres SAW. | Toujours couper l’alimentation RF, mettre à la terre le châssis et porter des ESD‑safe gloves avant toute manipulation. | | 5 | Configurer un mauvais paramètre de *Timing Advance* (TA) lors du réglage du handover. | Le terminal transmet hors de la fenêtre timeslot → perte de trames et augmentation du taux d’erreur. | Utiliser les outils de mesure du BSC pour vérifier que le TA reste compris entre 0 et 63 (correspondant à une distance maximale de ~35 km). | | 6 | Ignorer les mises à jour du firmware du terminal qui corrigent des vulnérabilités A5/1. | Exposition à des attaques de chiffrement connues (ex. : attaque par tables de rainbow). | Appliquer régulièrement les bulletins de sécurité du fabricant et vérifier la version du logiciel de baseband via l’AT‑command `+CGMR`. | --- *Fin du cours.*