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RÉSEAUX MOBILES
Ikbel DALY BRIKI
Ecole Supérieure d’Economie Numérique
PLAN
Chapitre 1 Introduction
Chapitre 2 Les réseaux cellulaires
Chapitre 3 Les réseaux satellitaires
Chapitre 4 Les réseaux sans fil
Chapitre 5 Architecture des réseaux WiFi
Chapitre 6 QoS dans les réseaux sans fil
Chapitre 7 Sécurité des réseaux sans fil
Axes de Recherche
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PLAN
Chapitre 1 Introduction
Chapitre 2 Les réseaux cellulaires
Chapitre 3 Les réseaux satellitaires
Chapitre 4 Les réseaux sans fil
Chapitre 5 Architecture des réseaux WiFi
Chapitre 6 QoS dans les réseaux sans fil
Chapitre 7 Sécurité des réseaux sans fil
Axes de Recherche
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CHAPITRE 1 INTRODUCTION
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BESOINS DES UTILISATEURS (1)
Mobile = tout en un
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BESOINS DES UTILISATEURS (2)
Mobile = accès à tout
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BESOINS DES UTILISATEURS (3)
Types de flux diversifiés : voix, images, sons,
textes, data
Types d’applications
Du très général (eg. messagerie) au spécifique
(travail personnel et spécialisé)
Du grand public au spécialiste (commercial, médecin
urgentiste…)
Qualité de service
Débit, temps de réponse
Disponibilité (« anywhere, anytime connected »)
Sécurité
Terminaux : intégration (tout en un)7
PERFORMANCES DES APPAREILS SANS FIL
Equipements
Smartphone
Tablette
PDA
Portable
...
Puissance limitée
Par la batterie, la mémoire, le disque dur
Par la transmission sans fil
Par le réseau de rattachement
Interfaces utilisateurs simplifiées
Taille des écrans
Terminaux clients8
MOTIVATIONS
Les réseaux radios
Diversité des services offerts
Aussi bien pour des applications « grand public » que pour une utilisation en entreprise.
Le domaine des communications
Les technologies sans fil (GSM, GPRS, UMTS, WiFi, WiMax,…) offrent une extrême liberté d’usage pour les utilisateurs «nomades» en assurant une continuité des services à la fois performante et économique via des terminaux adaptés, fiables et relativement peu coûteux (PC portable, PDA, téléphone mobile, …).
Exemples de services offerts en mobilité
L’accès internet haut débit via les hot spots publics
Services vidéo, mail, chat, forums et travail collaboratif
Service à domicile via les boîtiers multiplay (free box, live box…)
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DOMAINES D’APPLICATION (1)
Les principaux domaines d’application des réseaux
mobiles :
Le travail collaboratif et les communications
dans des entreprises ou bâtiments : dans le cadre
d’une réunion ou d’une conférence ou d’une
couverture d’évènements sportifs,
Réseaux de senseurs (capteurs) : pour des
applications environnementales (climat, activité
de la terre, suivi des mouvements des animaux,
etc.) ou domestiques (contrôle des équipements à
distance),
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Les principaux domaines d’application des réseaux mobiles :
Réseaux domestiques (Home network) : partage d’applications et communications des équipements mobiles exemple l'organisation d'une soirée de jeux vidéo en réseaux où chacun apporte son matériel,
Applications commerciales : pour un paiement électronique distant (en taxi) ou pour l’accès mobile à l’Internet ou service de guide en fonction de la position de l’utilisateur,
Réseaux en mouvement : informatique embarquée et véhicules communicants pour avoir des informations sur le trafic disponible en temps réel (Vehicular Ad hoc Network, VANET).
DOMAINES D’APPLICATION (2)
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RÉSEAUX MOBILES
Un réseau mobile fournit au moins un des deux
services caractéristiques de la mobilité :
Lui proposer un accès sans fil à l’information.
Lui permettre de se déplacer à travers le réseau en
conservant une même adresse
Adressage mobile
mobilité GSM : l’abonné apparaît dans un sous-
réseau particulier ; lorsqu’il quitte son domaine
d’abonnement pour un autre domaine (dit visiteur), il
effectue de la mobilité
mobilité IP : une seule adresse IP (adresse logique
du destinataire du paquet IP) suffit pour qu’un
abonné puisse être localisé n’importe où dans le
réseau Internet. 12
TRANSMISSION SANS FIL
Support de transmission sans fil
Le concept de sans fil est étroitement associé au support de
transmission.
Un système est dit sans fil s’il propose un service de
communication totalement indépendant de prises murales.
Dans cette configuration, d’autres moyens d’accès sont exploités
Infrarouge
Onde électromagnétique de longueur d'onde inférieur au visible
(entre 0,78 μm à 1 000 μm)
Télécommandes : n'interfèrent pas avec les autres signaux
électromagnétiques comme les signaux de télévision.
Communication à courte distance entre PC et périphériques
Ondes hertziennes (ou ondes radio).
Onde électromagnétique dont la fréquence est inférieure à 3000
GHz, soit une longueur d'onde supérieure à 0,1 mm.
Classification en fonction de la fréquence
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VAGUES DES RÉSEAUX MOBILES
Grand public – Vagues des réseaux sans fil
Vague 1 : téléphonie mobile
Encore en cours
Business le plus important
Vague 2 : Accès sans fil à Internet
Accès Internet via les WLAN (Wifi) personnels, d’entreprises ou d’organisations
2.5 G et 3G en compétition pour l’accès à Internet via le mobile
Vague 3 : Réseaux ad hoc (actuellement)
Interconnexion de mobiles non reliés à des infrastructures
Interopérabilité entre réseaux hétérogènes
Vague 4 : équipements de plus en plus invisibles !
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CLASSIFICATION DES RÉSEAUX MOBILES (1)
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CLASSIFICATION DES RÉSEAUX MOBILES (2)
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PLAN
Chapitre 1 Introduction
Chapitre 2 Les réseaux cellulaires
Chapitre 3 Les réseaux satellitaires
Chapitre 4 Les réseaux sans fil
Chapitre 5 Architecture des réseaux WiFi
Chapitre 6 QoS dans les réseaux sans fil
Chapitre 7 Sécurité des réseaux sans fil
Axes de Recherche
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CHAPITRE 2 LES RÉSEAUX CELLULAIRES
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HISTOIRE DES RÉSEAUX CELLULAIRES (1)
Développement des réseaux sans fil
1910 : Ericson travaille sur le premier téléphone
pour voiture.
1912 : attribution des fréquences radios et des
licences aux opérateurs téléphoniques
1940 : pendant la seconde guerre mondiale,
l’armée américaine utilise pour la première fois
dans signaux radio pour transmettre de données.
1971 : un groupe de chercheurs crée le premier
réseau de communication radio basé sur la
commutation de paquets, appelé ALOHAnet.
C’est le tout premier réseau sans fil, constitué de
7 ordinateurs reliés en étoile. 19
HISTOIRE DES RÉSEAUX CELLULAIRES (2)
Années 80 (1G) : voix analogique technologie analogique qui utilise une bande de fréquences
non enregistrée (902-928 MHz) ce qui cause des interférences avec toutes sortes de machines.
AMPS en 1982, Radiocom en 1982
Années 90 (2G) : voix numérique et messagerie texte transmission numérique pour augmenter la capacité,
améliorer la sécurité et offrir la messagerie texte (SMS).
GSM en 1991
GPRS en 2000 (2,5G ou 2G+) : dérivée du GSM permettant un débit de données plus élevé.
Années 2000 (3G) : voix et données numériques services numériques de voix et de données à haut débit.
UMTS, W-CDMA en déploiement mondial
Années 2010 (4G) : Services haut-débits
LTE (Long Term Evolution)20
RÉSEAUX CELLULAIRES
C’est la rareté du spectre radio qui a conduit les
opérateurs à découper le territoire en zones
(cellules), de taille variable selon la densité des
utilisateurs.Les différentes tailles de
cellules d’un réseau cellulaire
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OBJECTIFS DES RÉSEAUX CELLULAIRES
Offrir une large couverture et tenir compte de la
mobilité
1G : voix, sans localisation et sans mobilité
2G : voix, localisation / mobilité
3G : id. + paquets
4G : id + inter-technologie
Offrir un service à de nombreux usagers
Intégrer de plus en plus de services
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PROBLÉMATIQUE DE LA MOBILITÉ
Localisation des utilisateurs
Pour établir une communication, il faut savoir dans quelle cellule l'abonné se trouve.
Transfert inter-cellulaire (Handover)
Il doit y avoir continuité de la communication lorsque l'abonné passe d'une cellule à une autre
Roaming
Si la mobilité d'un abonné s'étend à plusieurs pays, des accords de roaming doivent alors être passés entre les différents opérateurs pour que les communications d'un abonné étranger soient traitées et aboutissent.
Sécurité
Pour éviter les écoutes frauduleuses des communication (authentification, cryptage, identité temporaire).
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GÉNÉRATION DES RÉSEAUX CELLULAIRES (1)
1ère génération (1G) : voix
Transmission analogique, contrôle numérique
Concept de cellule
NMT, R2000, AMPS, téléphone sans fil : CT0, CT1
2ème génération (2G) : Voix/données
Transmission et contrôle numériques
IS-95, GSM (Global System for Mobile
communication), CT2, DECT
2G+ : Mobitext, GPRS
3ème génération (3G) : UMTS/IMT-2000,
WCDMA,
CDMA2000, EDGE
Un seul système pour la voix et les données
4ème génération (4G) : Wimax, LTE
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GÉNÉRATION DES RÉSEAUX CELLULAIRES (2)
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PRINCIPE DE BASE
BTS : Base Transceiver Station
BSC : Base Station Controller
MSC : Mobile Switching Center
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PRINCIPE DE BASE
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PRINCIPE DE BASE
Cellule
Cellule = la surface avec laquelle une BTS peut
établir une liaison avec un téléphone mobile.
Principe = diviser une région en un certain
nombre de cellules desservies par une BTS de
faible puissance, émettant à des fréquences
différentes de celles utilisées sur les cellules
voisines.
Allocation des fréquences = le nombre de
fréquences accordées étant restreint, l'opérateur
est obligé de réutiliser les mêmes fréquences sur
des cellules suffisamment éloignées de telle sorte
que deux communications utilisant la même
fréquence ne se brouillent pas.
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PRINCIPE DE BASE
Les cellules
Chaque cellule a sa fréquence de communication
Possède 6 voisins
pour éviter de gaspiller les fréquences et d’interférer
entre les cellules : technique SDMA
Space Division Multiple Access
Schéma d’attribution des fréquences
But : les cellules adjacentes ne doivent
pas avoir la même fréquence
de communication
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PRINCIPE DE BASE
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PRINCIPE DE BASE
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ENVIRONNEMENT RADIO-MOBILE
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DÉGRADATIONS DE L’ONDE
Atténuation due à la distance parcourue
(pathloss),
Effets de masques (shadowing effects),
Evanouissements (fadings) par propagation
multitrajet.
Brouillages causés par d'autres émissions :
Interférences (co-canal ou canal adjacent),
Bruit ambiant.
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CARACTÉRISTIQUES DE LA PROPAGATION
Les caractéristiques de propagation dépendent :
Morphologie du terrain,
Densité de végétation,
Hauteur, combinaison, nature et densité des
bâtiments,
Conditions météo,
Etc.
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MULTITRAJETS
Origine : Réflexions multiples sur les obstacles
rencontrés par l'onde.
Deux effets :
Positif
Négatif
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EFFETS POSITIFS DU MULTITRAJET
Communications réussies même en présence de
masque : contournement des obstacles.
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EFFETS NÉGATIFS DU MULTITRAJET
Mutlipath spread= (longer path-shorter path)/c ;
où c désigne la vitesse de la lumière.
Dépendance: Direction, réflectivité et distance
entre les objets.
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INTERFÉRENCES
Co-canal
Canal adjacent.
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INTERFÉRENCE CO-CANAL
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INTERFACE RADIO-MOBILE
Caractéristiques :
Complexité,
Diffusion.
Environnement de transmission :
Changeant,
Emetteurs/Récepteurs mobiles,
Multitrajets,
Limitation du spectre.
40
UHF (Ultra High Frequency) : De 300 MHz à 3 GHz = Radiofréquences
SPECTRE
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Les ressources spectrales sont limitées.
Chaque pays a une agence gouvernementale pour
contrôler et allouer les ressources spectrales.
Les ressources spectrales sont contrôlées par :
Mondiale : International Telecommunications Union
(ITU).
USA : Federal Communications commission (FCC).
EU : European Telecommunications standards
Institute (ETSI).
Tunisia : Agence Nationale de la fréquence (ANF).
ALLOCATION DU SPECTRE DE FRÉQUENCE
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ALLOCATION DU SPECTRE UHF EN FRANCE
43
ALLOCATION DU SPECTRE UHF EN FRANCE
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Des bandes de fréquences utilisés Gratuitement
Pour encourager l’innovation et les
implémentations de faible coûts.
Des systèmes sans fils ont vu succès grâce à cette
bande. ex : Bleutooth, Wireless LAN, téléphones
sans fils
BANDES DE FRÉQUENCES SANS LICENCE
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LES SERVICES GSM
La voix
Les données
le WAP (Wireless Application Protocol), le Fax ou bien les fonctions d'un modem filaire classique
Les messages
Les messages écrits courts (SMS)
Le MMS (Multimedia Messaging Service)
Le Cell Broadcast (diffusion dans les cellules)
Permet d'envoyer le même SMS à tous les abonnés à l'intérieur d'une zone géographique
Les services supplémentaires
renvois d'appels, présentation du numéro, etc.
Les services à valeur ajoutée
Les services de localisation (Location Based Services), d'information à la demande (météo, horoscope), de banque (consultation de compte, recharges de compte prépayées)
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ARCHITECTURE DU RÉSEAU GSM
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ARCHITECTURE DU RÉSEAU GSM
Mobile Station (MS)
Mobile Equipment (ME)
Subscriber Identity Module (SIM)
Base Station Subsystem (BSS)
Base Transceiver Station (BTS)
Base Station Controller (BSC)
Network Switching Subsystem(NSS)
Mobile Switching Center (MSC)
Home Location Register (HLR)
Visitor Location Register (VLR)
Authentication Center (AUC)
Equipment Identity Register (EIR)
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ARCHITECTURE DU RÉSEAU D’ACCÈS BSS
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STATION MOBILE (MOBILE STATION-MS)
La Station Mobile est composée du :
Mobile Equipment(le terminal GSM)
Subscriber Identity Module(SIM).
Mobile Equipment
Le Mobile Equipmentest identifié
(exclusivement) à l'intérieur de n'importe quel
réseau GSM par l'International Mobile
Equipment Identity (IMEI).
Les terminaux GSM sont divisés en cinq classes
en fonction de leur puissance maximale de
transmission sur le canal radio. 50
STATION MOBILE (MOBILE STATION-MS)
Carte SIM (Subscriber Identity Module)
Contient l'International Mobile Subscriber Identity (IMSI), qui
sert à identifier l'abonné dans n'importe système GSM, et les
procédures de cryptographie qui sauvegardent le secret de
l'information de l'utilisateur ainsi que d'autres données telles
que;
la mémoire alphanumérique du téléphone
la mémoire relative aux messages de texte (SMS).
L'IMSI présente la structure suivante: MCC / MNC / MSIN où:
MCC = Mobile Country Code(2 ou 3 chiffres, pour la Tunisie
216)
MNC = Mobile Network Code(2 chiffres)
MSIN = Mobile Station Identification Number (maximum 10
chiffres)
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BSS (BASE STATION SUBSYSTEM)
BSS = BTS + BSC
Sa fonction principale est la gestion de l'attribution
des ressources radio indépendamment des
abonnés, de leur identité ou de leur communication.
BTS (Base Transmission Station)
L'antenne
Gère la liaison radio antenne – mobile
Gère la couche physique et liaison de donnée
BSC (Base Station Controller)
Organe intelligent du BSS
Gère plusieurs BTS
Allocation des canaux de communication
Surveillance de la puissance des MS et des BTS
Gestion itinérance et transfert communication
Interagit avec le réseau de coeur NSS
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ARCHITECTURE DU RÉSEAU DE COEUR
NSS (NETWORK SWITCHING SUBSYSTEM)
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MSC (MOBILE SWITCHING CENTER)
Centre de commutation radio mobile
Commutateur en charge des services en mode circuit
des stations mobiles enregistrées dans la zone
géographique qu'il gère
Prend en charge plusieurs BSS
Fonctionnalités
Gestion des appels
Gestion du handover
Interconnexion avec le réseau fixe (RTC, RNIS,
Internet) via le GMSC
Gestion des terminaux visiteurs
GMSC (Gateway MSC)
Effectue le routage des appels du MSC vers le réseau
fixe et inversement
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LES BASES DE DONNÉES
HLR (Home Location Register)
Registre des informations des mobiles locaux (IMSI, MSISDN)
Adresse du VLR où le mobile est localisé
VLR (Visitor Location Register)
Registre des terminaux visiteurs
Informations précises sur la position actuelle du visiteur mobile
et de son déplacement dans une zone de localisation
Zone de localisation (location area) = ensemble de cellules
gérées par un même MSC/VLR
EIR (Equipment Identity Register)
Registre des identifiants des équipements mobiles (conditions
d'abonnement)
Informations grossières sur la localisation de l'abonné
AuC (Authentification Center)
Registre contenant les informations confidentielles destinées à
l'authentification de l'abonné
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LES FONCTIONS DU RÉSEAU CELLULAIRE
Gestion des ressources Radio RR (Radio Resource Management)
Sélection de cellule (choix de la porteuse), ouverture d’une connexion, contrôle en cours de communication, handover, terminaison
Gestion de la mobilité MM (Mobility Management)
Gestion de l’itinérance, procédure de mise à jour de zone de localisation
Gestion de la sécurité Protéger l’utilisateur et le réseau
usurpations d’identité, écoutes frauduleuses, utilisations abusives
Authentification
Cryptage
Gestion des connexions CM (Connexion Management)
Établissement et relâchement des appels
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LES FONCTIONS DU RÉSEAU CELLULAIRE
Contrôle en cours de communication (RR)
Garantir une bonne qualité de la liaison
Contrôle de puissance
Le BSS détermine les niveaux de puissance
adéquats (grâce aux mesures)
Utilisation du SACCH (Slow Associated Control
CHannel ) pour la compensation temporelle (ou
timing advance)
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LES FONCTIONS DU RÉSEAU CELLULAIRE
Gestion de la mobilité (MM):
Gestion de l’itinérance et de la sécurité
États d’un mobile
Éteint
mémorisation de la dernière localisation connue
Commutation sur la messagerie
Idle
Informe régulièrement le réseau de ses changements de localisation (IMSI-attached)
actif
Procédure d’attachement
pour indiquer le retour du mobile dans le réseau
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LES FONCTIONS DU RÉSEAU CELLULAIRE
Mise à jour de la localisation (MM):
Gestion de l’itinérance
Deux mécanismes de base
Localisation (précise) Savoir où se trouve le mobile à tout moment
Recherche (paging) Émettre des messages d’avis de recherche dans les cellules visitées
dernièrement
Position précise : coût de localisation important mais pas de recherche rapidité)
Position imprécise : coût de recherche élevé (signalisation élevée) mais coût de localisation faible
Zones de localisation
Ensemble de cellules, critères : nombre moyen d’appels, direction privilégiée des HO, autoroutes,…
Plusieurs zones par VLR/MSC
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LES FONCTIONS DU RÉSEAU CELLULAIRE
Mise à jour de la localisation (MM):
Procédure de mise à jour de localisation :
Le mobile sait qu’il change de zone de localisation grâce
au canal BCCH (Broadcast Common Channel)
Il prévient le nouveau VLR (donne son TMSI)
Le nouveau VLR (qui peut être l’ancien) récupère auprès
de l’ancien le profil du mobile
Le VLR informe le HLR de la nouvelle zone de
localisation du mobile
Le HLR demande à l’ancien VLR d’effacer les infos
relatives au mobile (si VLR différent)
Procédure qui met à jour les informations de
localisation du mobile dans le VLR et le HLR60
LES FONCTIONS DU RÉSEAU CELLULAIRE
Sécurité (MM):
Protéger l’utilisateur et le réseau
Usurpations d’identité, écoutes frauduleuses, utilisations
abusives
Authentification
Le réseau transmet Rand (128 bits)
Calcul (mobile et réseau)
Transmission du résultat
Ki secrète, jamais transmise
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LES FONCTIONS DU RÉSEAU CELLULAIRE
Sécurité (MM):
Cryptage
Protection contre les écoutes inopportunes
De Ki + Rand + A8 est calculée la clé Kc
Kc : 64 bits
Séquence générée par A5(Kc,numéro de trame)
Combinaison avec la séquence à émettre
IMEI (terminal physique)
Vol,…
EIR (Equipment Identity Register)
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LES FONCTIONS DU RÉSEAU CELLULAIRE
Sécurité (MM):
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LES FONCTIONS DU RÉSEAU CELLULAIRE
Gestion des connexions (CM) :
Établissement et relâchement des connexions
Basé sur la signalisation SS7
Appel issu du mobile
Allumé
Parcourt des fréquences
État Idle
Signalisation périodique pour la localisation
Composition d’un numéro
Envoi d’une demande de connexion (via RACH)
Allocation d’un canal dédié de signalisation SDCCH (via
AGCH)
Procédures d’authentification et d’autorisation d’appel
Le réseau route la demande vers le PSTN (SS7)
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LES FONCTIONS DU RÉSEAU CELLULAIRE
Gestion des connexions (CM) :
Appel vers un mobile
Appel en utilisant le MSISDN
Appel acheminé jusqu’au GMSC le + proche
Le HLR du mobile est interrogé pour
trouver le VLR courant
vérifier les caractéristiques de l’abonnement
traduction du MSISDN en IMSI
Le VLR diffuse le message de paging (PCH) dans la zone de localisation
Réponse du mobile (demande d’ouverture de canal (via RACH, réponse paging)
Établissement comme précédemment (entre GMSC et le mobile via VLR-MSC)
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LES FONCTIONS DU RÉSEAU CELLULAIRE
Etablissement d’appel :
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