Les bases de la conception et de l'infrastructure du réseau GSM

Dans une ère dominée par les progrès technologiques rapides, GSM (Système mondial pour les communications mobiles) reste la pierre angulaire de la communication mobile mondiale.Originaire en tant que norme pour les réseaux cellulaires numériques, GSM est devenu un cadre complet et robuste qui prend en charge une multitude de services des appels vocaux à la transmission de données.

Cet article creuse dans les subtilités de la technologie GSM, explorant son architecture de réseau, sa dynamique opérationnelle et le rôle ultime qu'il joue dans les télécommunications modernes.En disséquant des éléments tels que le réseau et le sous-système de commutation (NSS), le sous-système de base (BSS) et la station mobile (MS), il éclaire la façon dont GSM gère efficacement les ressources pour fournir une communication fiable entre de vastes géographies.De plus, l'article met en évidence la pertinence continue de GSM grâce à sa comparaison avec d'autres technologies telles que CDMA et LTE, présentant ses avantages uniques et ses limitations inhérentes à l'ère numérique actuelle.

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Figure 1: GSM (Système mondial pour les communications mobiles)

Démystifier GSM

GSM (Global System for Mobile Communications) est une norme internationale qui définit les réseaux cellulaires numériques de deuxième génération (2G) utilisés par les téléphones mobiles du monde entier.Il fonctionne dans plusieurs bandes de fréquences, dont 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz et 1900 MHz.Pour utiliser efficacement le spectre de fréquence limité, GSM utilise une combinaison d'accès multiple de la division de fréquence (FDMA) et d'accès multiple de division Time (TDMA).La FDMA divise les bandes de fréquences disponibles en canaux plus petits, tandis que TDMA divise encore ces canaux en intervalles de temps.Cette approche permet à plusieurs utilisateurs de partager le même canal de fréquence sans interférence, de maximiser la capacité du réseau et d'améliorer la connectivité globale.

Figure 2: différents types de cellules

L'architecture du réseau GSM est conçue avec différents types de cellules pour répondre à diverses zones géographiques et exigences de résistance du signal.Il s'agit notamment des cellules macro, micro, pico et parapluie.Chaque type de cellule a un rôle spécifique.

• Les macro-cellules couvrent de grandes zones, telles que les régions rurales, offrant une large couverture.

• Les microcelles sont utilisées dans des zones urbaines densément peuplées où une capacité plus élevée est souhaitée.

• Les cellules PICO servent de très petits espaces congestionnés où la demande est élevée, comme les bâtiments à l'intérieur.

• Les cellules parapluies offrent une couverture supplémentaire dans les zones où d'autres cellules peuvent ne pas être suffisantes, assurant un service continu.

Les réseaux GSM sont connus pour leur ensemble complet de fonctionnalités.Ils permettent une itinéraire internationale sans couture, qui permet aux utilisateurs de passer et de recevoir des appels partout dans le monde avec un minimum de perturbation.La qualité de la voix sur les réseaux GSM est généralement claire, et la technologie est conçue pour être économe en énergie, ce qui permet d'étendre la durée de vie de la batterie sur les appareils mobiles.GSM prend également en charge une large gamme de services, des appels vocaux simples aux services de données comme SMS et la navigation sur Internet.Son évolutivité et sa rentabilité ont fait de GSM la technologie dominante dans les communications mobiles, garantissant qu'elle reste accessible à un large éventail d'utilisateurs tout en maintenant la compatibilité entre différents opérateurs de réseau dans le monde.Cette conception améliore non seulement la fiabilité du réseau, mais favorise également un système de communication global plus connecté et plus accessible.

Figure 3: composants d'architecture réseau GSM

Composants d'architecture de réseau GSM

L'architecture du réseau GSM est un système complexe conçu pour assurer une communication mobile fiable et continue.Il se compose de quatre composants principaux: le réseau de réseau et de commutation (NSS), le sous-système de base de base (BSS), la station mobile (MS) et le sous-système de fonctionnement et de support (OSS).Chacun de ces éléments joue un rôle influent dans le maintien de la fonctionnalité et de l'efficacité du réseau.

NSS (sous-système de réseau et de commutation) sert de centre central du réseau GSM.Il gère le routage des appels et la gestion des données d'abonnés.Au cœur du NSS se trouve le Mobile Services Switching Center (MSC), qui est responsable de la connexion des appels entre les utilisateurs mobiles et de les lier à des réseaux externes comme le système téléphonique public ou Internet.Le MSC garantit que les appels sont connectés rapidement et de manière fiable, peu importe où les utilisateurs se trouvent.

BSS (sous-système de base) Fournit le lien de base entre les appareils mobiles et le réseau.Ce sous-système comprend des stations d'émetteur-récepteur de base (BTS), qui gèrent les communications radio entre les combinés mobiles et le réseau.Le BSS agit effectivement comme le pont qui relie l'appareil de l'utilisateur au réseau plus large, garantissant une communication claire et stable.

MS (station mobile) est l'appareil mobile de l'utilisateur, y compris la carte du module d'identité d'abonné (SIM).La carte SIM se règle car elle stocke des informations importantes comme l'identité, l'emplacement, l'autorisation du réseau et les clés de sécurité de l'utilisateur.Ces données permettent un accès sécurisé au réseau et garantit que la connexion de l'utilisateur est correctement authentifiée et maintenue.

OSS (Sous-système de fonctionnement et de support) est responsable de la gestion et de la maintenance en cours du réseau.Il supervise les opérations techniques, garantissant que le réseau se déroule bien et efficacement.L'OSS est dynamique pour l'évolutivité du réseau, permettant des mises à niveau et des extensions sans service d'interruption.Ce sous-système garantit que les problèmes techniques sont résolus rapidement et que le réseau reste robuste et capable de gérer des demandes croissantes.

Figure 4: Sous-système de commutation réseau (NSS)

Exploration du sous-système de commutation de réseau (NSS) dans les réseaux GSM

Le sous-système de commutation de réseau (NSS) constitue le noyau du réseau GSM, intégrant divers composants qui gèrent et optimisent collectivement les opérations du réseau.Au centre du NSS se trouve le Mobile Services Switching Center (MSC), qui fonctionne comme le centre principal pour les appels de routage et la connexion du réseau GSM à des réseaux externes, comme le réseau téléphonique public (PSTN).Le MSC est responsable des tâches de communication mobile requises, y compris l'enregistrement des abonnés, les authentification, la mise à jour de leur emplacement et la réalisation d'appels vers les destinations appropriées.

Deux bases de données influentes dans le NSS sont le registre de localisation à domicile (HLR) et le registre de localisation des visiteurs (VLR).Le HLR sert de référentiel dominant de profils détaillés pour chaque abonné du réseau.Il stocke des informations sur les services de l'utilisateur et l'emplacement actuel, permettant au réseau d'acheminer avec précision les appels et les messages lorsque les utilisateurs passent d'une cellule à une autre.D'un autre côté, le VLR détient temporairement des données sur les abonnés qui sont actuellement dans sa zone de couverture, garantissant un accès rapide aux informations nécessaires pour configurer les appels et fournir des services.

Le registre d'identité d'équipement (EIR) joue un rôle dynamique dans le maintien de la sécurité du réseau.Cette base de données suit tous les appareils mobiles opérant dans le réseau en stockant leurs numéros d'identité internationale de matériel mobile (IMEI) uniques.L'EIR est remarquable pour identifier et bloquer les appareils volés ou non autorisés, les empêchant d'accéder au réseau.La sécurité est en outre renforcée par le Centre d'authentification (AUC), qui est responsable de la vérification de l'identité des cartes SIM qui tentent de se connecter au réseau.En authentifiant ces connexions, l'ASC aide à prévenir la fraude et l'accès non autorisé, garantissant que seuls les utilisateurs valides sont autorisés à communiquer via le réseau.De plus, la passerelle SMS (SMS-G) gère la transmission et la réception des messages SMS sur le réseau.Il garantit que les messages texte sont livrés en douceur et de manière fiable, en maintenant l'efficacité du réseau dans la gestion de grands volumes de trafic de messagerie.

Figure 5: Sous-système de la station de base (BSS)

Sous-système de la station de base (BSS) des réseaux GSM

Le sous-système de la station de base (BSS) est une partie dangereuse du réseau GSM, responsable de la gestion de toute communication directe entre les appareils mobiles des utilisateurs et le réseau.Il se compose de deux composants principaux: la station d'émetteur-récepteur de base (BTS) et le contrôleur de la station de base (BSC).

BTS (station d'émetteur-récepteur de base): gère la communication radio avec les appareils mobiles.Équipé d'émetteurs radio et d'antennes, le BTS gère la transmission et la réception des signaux radio, garantissant que la communication entre le réseau et les appareils mobiles reste claire et ininterrompue.Chaque BTS couvre une zone géographique spécifique, appelée cellule, et est responsable du maintien des liaisons radio dans cette zone.

BSC (contrôleur de la station de base): Supervise plusieurs BTS, gérant leurs ressources et leurs opérations.Il attribue les radiofréquences, équilibre la charge à travers les cellules et garantit que les appels actifs sont transmis de manière transparente d'une cellule à l'autre à mesure que les utilisateurs se déplacent dans le réseau.Ce processus est nécessaire pour maintenir une connectivité continue, offrant une expérience fluide aux utilisateurs mobiles même lorsqu'ils voyagent entre différents domaines.

Le déploiement stratégique des stations de base est basique pour optimiser la couverture du réseau et minimiser les interférences causées par les signaux de chevauchement.À mesure que le trafic réseau augmente, une gestion efficace de la transmission vocale et des données devient plus significative.La technologie qui relie le BSS au réseau central a également progressé au fil du temps.Alors que les réseaux traditionnels utilisent des lignes E1 / T1 pour ces connexions, les réseaux modernes utilisent souvent des liens à haute capacité comme les liens Ethernet et micro-ondes de qualité porteur.Ces nouvelles technologies sont particulièrement utiles pour étendre la portée du réseau aux zones éloignées sans sacrifier la vitesse ni la qualité.

Figure 6: Station mobile

Rôle et fonctionnalité de la station mobile dans GSM

La station mobile (MS) fait partie substantielle du réseau GSM, composé de l'appareil mobile de l'utilisateur et de la carte du module d'identité d'abonné (SIM).L'appareil mobile est équipé d'un matériel avancé conçu pour prendre en charge une gamme de fonctionnalités tout en maximisant l'efficacité énergétique.Cela garantit une durée de vie de la batterie plus longue et permet des conceptions élégantes et compactes faciles à transporter.La carte SIM, en revanche, stocke les informations sur les abonnés insistant, permettant aux utilisateurs de conserver leurs services d'identité et d'accès même lors de la commutation entre différents appareils.

Les opérations de sécurité et de réseau reposent fortement sur des identifiants clés tels que l'International Mobile Equipment Identity (IMEI) et l'International Mobile Abonné Identity (IMSI).L'IMEI est un numéro unique qui identifie l'appareil sur le réseau.Il joue un rôle important dans les mesures de sécurité, comme la prévention des appareils perdus ou volés d'accéder au réseau.L'IMSI, stocké sur la carte SIM, identifie l'abonné au réseau, permettant une activation de service transparente et une gestion de la mobilité lorsque l'utilisateur se déplace entre différents emplacements ou appareils.

L'évolution des stations mobiles a considérablement amélioré l'expérience utilisateur, s'étendant au-delà des appels vocaux et des SMS pour inclure une grande variété de services de données.Ces services vont de la navigation Internet de base à des applications plus exigeantes comme le streaming vidéo, les jeux en ligne et les applications de communication en temps réel.Cette progression technologique a élargi la portée des télécommunications mobiles, rendant les services sophistiqués accessibles à un public plus large.En conséquence, les stations mobiles ont considérablement amélioré la façon dont les utilisateurs interagissent avec la technologie, conduisant à des expériences de communication plus enrichies et diverses.

Figure 7: Sous-système de fonctionnement et de support (OSS)

Navigation du sous-système de fonctionnement et de support (OSS) dans GSM

Le sous-système de fonctionnement et de support (OSS) fait partie active du réseau GSM, responsable de la gestion et de la coordination des fonctions d'autres composants réseau, tels que le sous-système de commutation réseau (NSS) et le sous-système de la station de base (BSS).Il garantit des opérations de réseau en douceur et efficaces en supervisant ces segments et en intégrant leurs activités.

Le rôle principal de l'OSS est de gérer la croissance et les performances du réseau à mesure que la base des abonnés se développe.Il utilise des outils avancés pour l'analyse du trafic, la planification des capacités et l'optimisation des performances.Ces fonctions sont utilisées pour maintenir la fiabilité du réseau, prévenir la congestion et garantir que la qualité du service reste élevée, même si la demande augmente.

Au fur et à mesure que le réseau évolue, l'OSS aide à contrôler les coûts opérationnels en optimisant comment les ressources sont allouées et en automatisant les tâches répétitives.En tirant parti de l'analyse des données, il peut prédire les futures demandes de réseau et effectuer des ajustements proactifs.Cette approche avant-gardiste permet au réseau de se développer durablement tout en maintenant l'efficacité opérationnelle.

Comment fonctionnent les réseaux GSM?

Le fonctionnement d'un réseau GSM est défini par sa capacité à gérer efficacement les communications sur de grandes zones, garantissant à la fois la fiabilité et la précision.La fonctionnalité principale du réseau est basée sur l'accès multiple de division Time Division (TDMA), qui permet à jusqu'à 16 utilisateurs de partager simultanément le même canal radio.Ceci est réalisé en divisant le spectre radio en plages horaires spécifiques, chaque emplacement affecté à un autre utilisateur.Cette approche optimise l'utilisation de la bande passante et réduit les interférences, ce qui rend GSM particulièrement efficace dans les domaines à densité utilisateur élevée et dans des applications comme l'Internet des objets (IoT).

L'évolution de GSM a été marquée par des améliorations continues pour répondre aux besoins changeants de la communication mondiale.Initialement conçu pour la communication vocale, GSM s'est adapté pour inclure des services de données améliorés et pour s'intégrer à des technologies plus récentes.Cette adaptabilité garantit que le GSM reste pertinent dans l'environnement de télécommunications au rythme rapide d'aujourd'hui, servant non seulement de standard pour les appels vocaux mais aussi comme une épine dorsale pour les services de communication mobile modernes.

Applications de la technologie GSM

GSM Technology sert de base polyvalente et robuste pour les communications mobiles mondiales, soutenant un large éventail d'applications.

Figure 8: Messagerie texte (SMS)

GSM a transformé la communication en introduisant un service de messages court (SMS), qui permet aux utilisateurs d'envoyer et de recevoir facilement des messages texte sur le réseau mobile.SMS est devenu un outil de base pour la communication personnelle et professionnelle, offrant un moyen rapide et fiable d'échanger instantanément des informations.

Figure 9: Améliorations de la sécurité des données

GSM intègre de solides protocoles de chiffrement pour sécuriser les transmissions vocales et de données, garantissant que les canaux de communication sont protégés contre l'accès non autorisé et l'écoute.Ces fonctionnalités de sécurité font de GSM une plate-forme de confiance pour transmettre des informations sensibles et protéger la confidentialité des utilisateurs et l'intégrité des données.

Figure 10: Transports de système sans couture

GSM permet des transferts lisses entre les cellules du réseau, permettant aux utilisateurs de se déplacer dans différentes zones géographiques sans perdre leur connexion.Cette fonctionnalité est utilisée pour maintenir les services de voix et de données mobiles ininterrompus, garantissant une communication stable et cohérente, peu importe où les utilisateurs se trouvent.

Figure 11: Services médicaux

La technologie GSM joue un rôle dynamique dans la télémédecine, soutenant les diagnostics à distance et la surveillance des patients.Cette application est particulièrement importante pour fournir des services de santé aux zones éloignées ou mal desservies, améliorant la capacité des systèmes de santé à fournir des soins médicaux en temps opportun et efficaces.

Figure 12: GSM, CDMA et LTE

Analyse comparative: technologies GSM, CDMA et LTE

GSM (Global System for Mobile Communications), CDMA (Code Division Multiple Access) et LTE (Evolution à long terme) sont trois technologies de communication mobile distinctes, chacune représentant différentes étapes de développement avec des caractéristiques et des avantages opérationnels uniques.

GSM est une technologie de deuxième génération (2G) qui repose sur la division Time Division Multiple Access (TDMA) pour allouer des fréquences radio aux utilisateurs. Cela signifie qu'il divise chaque fréquence en intervalles de temps, permettant à plusieurs utilisateurs de partager la même bande de fréquence.GSM est largement reconnu pour sa simplicité et sa facilité d'utilisation internationale, ce qui en fait la norme dans de nombreux pays.Il prend en charge les appels vocaux et les services de données de base comme SMS et un accès Internet limité.L'adoption généralisée de la technologie est en grande partie due à ses performances fiables et à ses capacités mondiales d'itinérance.

Contrairement à GSM, qui sépare les utilisateurs à l'heure, CDMA utilise une technique de spectre à propagation qui permet à plusieurs utilisateurs de partager simultanément le même temps et la même bande de fréquence. Cette méthode est plus efficace dans l'utilisation du spectre disponible et offre une plus grande intimité et résistance à l'interférence.Bien que le CDMA était un concurrent fort du GSM, en particulier aux États-Unis, il n'a jamais atteint le même niveau d'adoption mondiale.La plupart des réseaux CDMA sont maintenant passés à LTE.

LTE, ou évolution à long terme, est une technologie 4G qui représente un bond en avant de GSM et CDMA. Contrairement à ses prédécesseurs, LTE est conçu spécifiquement pour la transmission de données à grande vitesse plutôt que pour la communication vocale.Il utilise des technologies avancées comme le multiplexage de division de fréquence orthogonale (OFDM) et la sortie multiple multiple (MIMO) pour maximiser la bande passante et minimiser la latence.LTE prend en charge une large gamme de services à haute demande, y compris le streaming vidéo HD, les téléchargements rapides et les jeux en ligne en temps réel, ce qui en fait le fondement de l'accès à Internet mobile moderne.

Avantages et inconvénients de la technologie GSM

Pros

Compatibilité généralisée: L'une des principales forces de GSM est sa standardisation universelle, qui garantit la compatibilité entre les réseaux et les appareils dans le monde.Cela permet aux utilisateurs de se déplacer de manière transparente à l'international et de basculer entre différents opérateurs de réseau sans problèmes.Que ce soit dans les pays ou en utilisant divers appareils, la normalisation de GSM assure une connectivité fluide.

Ensemble de fonctionnalités robuste: GSM offre un ensemble fiable de services de base, y compris les appels vocaux, les SMS et les capacités de données de base.Sa technologie simple et fiable en a fait un choix populaire, en particulier dans les régions où les nouvelles technologies ne sont pas encore entièrement adoptées.Les utilisateurs peuvent compter sur GSM pour une communication cohérente et accessible, même dans des zones à infrastructure limitée.

Infrastructure mature: établie au début des années 1990, GSM a eu des décennies pour construire et affiner son infrastructure réseau.Cette présence de longue date signifie que les services GSM sont largement disponibles, même dans les zones éloignées et rurales.La couverture approfondie fournie par GSM Networks garantit que les utilisateurs de ces régions peuvent rester connectés.

Inconvénients

Vitesses de données limitées: conçu à l'origine pour la communication vocale avec les fonctionnalités de données de base, les vitesses de transmission de données de GSM sont beaucoup plus lentes par rapport aux technologies modernes comme la 3G, la 4G LTE et la 5G.Cela rend GSM moins adapté aux applications à forte intensité de données d'aujourd'hui, telles que le streaming vidéo ou l'exécution d'applications Web complexes.

Problèmes de capacité: GSM alloue un nombre fixe de plages horaires par fréquence, ce qui limite le nombre d'utilisateurs qui peuvent être pris en charge en même temps.Alors que l'utilisation mobile continue d'augmenter, en particulier dans les zones densément peuplées, cela peut entraîner une congestion du réseau et une diminution de la qualité des services.

Sensibilité aux interférences: En raison de sa technologie plus ancienne, le GSM est plus sujet aux interférences de diverses sources.Cette vulnérabilité peut entraîner une qualité d'appel dégradée et des services de données moins fiables, en particulier dans des environnements ayant une interférence significative du signal.

Conclusion

La technologie GSM, avec son architecture structurée et évolutive, continue d'être une partie intégrante du paysage des télécommunications, garantissant une communication fiable et accessible dans le monde entier.Malgré l'avènement de technologies plus avancées comme LTE et 5G, le déploiement stratégique de GSM dans divers domaines - de l'itinérance internationale transparente aux applications périlleuses en télémédecine - a déclaré sa pertinence durable.La conception de la technologie facilite non seulement une large couverture et compatibilité entre différentes régions et appareils, mais également un ensemble de fonctionnalités robuste qui a résisté à l'épreuve du temps.

Néanmoins, à mesure que le paysage numérique évolue, GSM fait face à des défis tels que des vitesses de données limitées et des problèmes de capacité, soulignant la nécessité d'une adaptation et d'une intégration continues avec des technologies plus récentes.Cette synthèse des forces fondamentales de GSM avec des améliorations progressives résume la nature dynamique des communications mobiles, conduisant vers un avenir où la connectivité est de plus en plus transparente et inclusive.

Questions fréquemment posées [FAQ]

1. Quelle est l'architecture système d'un réseau GSM?

Le réseau mondial de communications mobiles (GSM) est structuré en trois systèmes principaux: la station mobile (MS), le sous-système de la station de base (BSS) et le sous-système de réseau et de commutation (NSS).La station mobile se compose de l'appareil mobile et de sa carte SIM.Le sous-système de la station de base comprend la station d'émetteur-récepteur de base (BTS), qui gère les communications radio avec le mobile, et le contrôleur de la station de base (BSC), qui gère les ressources et les connexions pour plusieurs unités BTS.Le sous-système de réseau et de commutation contient le Mobile Switching Center (MSC) qui connecte les appels et gère les services mobiles, ainsi que des bases de données telles que le registre d'emplacement domestique (HLR) et le registre de localisation des visiteurs (VLR) pour la gestion de la mobilité.

2. Que signifie GSM dans le réseautage?

GSM signifie Global System for Mobile Communications.Il s'agit d'une norme développée pour décrire les protocoles pour les réseaux cellulaires numériques de deuxième génération (2G) utilisés par les téléphones mobiles.Il a été conçu pour fournir une norme uniforme pour les technologies de communication mobile dans le monde entier, facilitant la compatibilité et l'itinérance mondiale.

3. Quelles sont les interfaces d'architecture de réseau GSM?

Le réseau GSM comprend plusieurs interfaces clés qui facilitent la communication entre les différents composants:

Interface UM entre la station mobile et le réseau (interface d'air).

Interface A-BIS entre le BTS et le BSC, utilisé pour les signaux de gestion et de contrôle.

Une interface entre le BSC et le MSC est utilisée pour transmettre des informations de configuration d'appels et des données d'abonné.

4. Quelle est la différence entre l'architecture GSM et LTE?

GSM est une technologie 2G principalement axée sur la communication vocale et les services de données de base à l'aide de données à commutation de circuits.LTE (Evolution à long terme), en revanche, est une technologie 4G conçue pour la transmission de données à grande vitesse à l'aide de réseautage à commutation de paquets.LTE offre des vitesses de données beaucoup plus élevées et une latence réduite par rapport à GSM.LTE prend également en charge de meilleurs services multimédias et une plus grande efficacité de spectre.Contrairement à GSM, qui sépare la voix et les données sur différents canaux, LTE utilise un réseau All-IP, ce qui signifie que la voix et les données sont transmises sur le même canal radio.

5. Comment communiquer avec GSM?

La communication sur un réseau GSM implique les étapes suivantes:

L'appareil mobile établit une connexion au réseau via un BTS à proximité.

Les signaux vocaux ou de données sont convertis en ondes radio par l'appareil mobile et transmises via l'interface UM.

Le BTS reçoit le signal et le passe au BSC;Le BSC l'a ensuite transmis au MSC.

Le MSC achemine l'appel ou la session de données vers la destination appropriée, qui pourrait être un autre utilisateur mobile, un PSTN (réseau téléphonique publique) ou un service Internet.

Pour les communications entrantes, le processus fonctionne à l'envers.Le MSC identifie le mobile du destinataire, le localise via le HLR et le VLR et achemine l'appel ou les données vers le BSC et le BTS appropriés, qui les transmet ensuite vers l'appareil mobile.