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mercredi 28 août 2013

Global System for Mobile Communications


Ce logo GSM est utilisé pour identifier les terminaux et équipements compatibles
Global System for Mobile Communications (GSM) (historiquement « Groupe spécial mobile »1) est une norme numérique de seconde génération pour la téléphonie mobile. Le groupe de travail chargé de la définir a été établi en 1982 par la Conférence européenne des administrations des postes et télécommunications (CEPT).
Elle a été spécifiée et mise au point par l'ETSI pour la gamme de fréquences des 900 MHz. Une variante appelée Digital Communication System (DCS) utilise la gamme des 1 800 MHz. Cette norme est particulièrement utilisée en Europe, en Afrique, au Moyen-Orient et en Asie. Deux autres variantes, en 850 MHz et en 1 900 MHz (PCS), sont également utilisées. La protection des données est assurée par les algorithmes de chiffrement A5/1 et A5/2.
Tel qu'il a été conçu, le réseau GSM est idéal pour les communications de type « voix » (téléphonie). Le réseau étant commuté, les ressources ne sont allouées que pour la durée de la conversation, comme lors de l'utilisation de lignes téléphoniques fixes. Les clients peuvent soit acheter une carte prépayée, soit souscrire un abonnement.
Sous l'égide de l'organisation 3GPP la norme GSM a ensuite été étendue pour supporter de plus hauts débits et le transport de données en mode « paquet » par les extensions GPRS (General Packet Radio Services) puis EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution). Ces 2 modes peuvent cohabiter avec le mode « voix commutée » du GSM et utilisent les mêmes antennes et les mêmes bandes de fréquence.

Histoire

Premier téléphone GSM français en 1992
Le concept cellulaire provient des réseaux de première génération mis en service au début des années 1980. Chaque zone de couverture était un cercle de 30 à 50 kilomètres de rayon avec, au centre de chaque cercle, une antenne relais et une station de base. Ces cercles étant assemblés ou non, sans se soucier des problèmes de roaming. Chaque utilisateur se trouvant dans la zone de couverture avait une bande de fréquence statique allouée à son téléphone, ceci avec ou sans communication téléphonique. Ainsi chaque station pouvait fournir autant de canaux de communication que de bandes de fréquence disponibles. Ce système, peu fiable, fut remplacé par un autre système permettant d'allouer une bande de fréquence uniquement si l'utilisateur en avait besoin, permettant aussi d'augmenter le nombre d'abonnés jusqu'à un certain stade, dans l'hypothèse où tous les abonnés ne téléphonent pas en même temps. Les systèmes de téléphonie mobile en étaient à leurs balbutiements. Les antennes-relais des BTS nécessitaient alors des puissances assez importantes et les mobiles de 2 à 10 watts [réf. nécessaire] selon qu'ils équipaient des piétons ou des automobiles. Afin d'éviter les interférences, les cercles de couverture adjacents ne pouvaient pas réutiliser les mêmes fréquences réduisant ainsi le spectre fréquentiel disponible pour chaque cellule.
En 1987, les choix techniques concernant l'utilisation des télécommunications mobiles sont fixés par le groupe GSM. Ainsi la transmission numérique, le chiffrement des informations et le multiplexage temporel des canaux radios seront utilisés.
1991, première communication expérimentale faite par le groupe GSM. Le sigle GSM change également de signification pour devenir Global System for Mobile communications. Les spécifications techniques sont complétées pour pouvoir fonctionner dans la bande des 1 800 MHz.

Bandes de fréquence GSM

GSM 850 et 1900

Ils sont présents aux États-Unis et au Canada. Certains pays n'utilisent que la norme GSM 850 (Équateur, Panama…). Le GSM 1900 est également appelé PCS 1900 (Personal Communications Service).

GSM 900 et 1800

On rencontre ces deux types de réseaux en Europe, notamment, en Belgique, Espagne, France, Allemagne, Italie.
Le GSM 900 utilise la bande 880-915 MHz pour l'envoi de la voix ou des données depuis le mobile et la bande 925-960 MHz pour la réception des informations venant du réseau.
Le GSM 1800 utilise la bande 1 710 MHz-1 785 MHz pour l'envoi des données depuis le terminal mobile (upload) et la bande 1 805 MHz-1 880 MHz pour la réception des informations (download).
Les appareils qui fonctionnent tant en 900 qu'en 1800 sont appelés GSM dual band ou simplement dual band.
Le GSM 1800 est également appelé DCS 1800 (Digital Communication System).

Attribution de fréquences GSM en France

GSM 900 (R-GSM et E-GSM inclus)
Les fréquences dans la bande des 900 MHz peuvent être utilisées pour le GSM ou l'UMTS.
Il faut noter que le réseau GSM-R de RFF est un réseau privé dédié aux communications ferroviaires Sol-Trains. Il est incompatible avec les terminaux GSM ou UMTS « grand public » et donc inaccessible par les abonnés GSM classiques.
Sur l'ensemble du territoire métropolitain avant mi-2011 (avant l'arrivée de Free Mobile) et dans les zones très denses avant 20132

Sur l'ensemble du territoire métropolitain sauf dans les zones très denses à compter du 12 juillet 2011

Autour de 13 camps militaires depuis le 12 juillet 20113

Dans les zones très denses et sur l'essentiel du territoire depuis le 1er janvier 20132

GSM 1800
Avant le 1er octobre 2013
Sur l'ensemble du territoire métropolitain sauf dans les zones très denses:

Dans les zones très denses2:

Entre le 1er octobre 2013 et le 24 mai 2016
Bouygues Telecom pourra partager sa bande entre GSM et LTE.
En France métropolitaine:

Exceptions:
  • Toulouse entre 1er octobre 2013 et 1er avril 2014
  • Bayonne, Strasbourg et Lille entre 1er octobre 2013 et 1er juillet 2014
  • Lyon entre 1er octobre 2013 et 1er janvier 2015
  • Marseille-Aix entre 1er octobre 2013 et 1er avril 2015
  • Nice et Paris entre 1er octobre 2013 et 1er juillet 2015

GSM 400

Une antenne relais GSM sur un toit de Paris.
L'implantation d'un réseau GSM en 900 MHz avec une bonne couverture est souvent couteuse dans les pays en développement. Les étendues à couvrir sont énormes, la densité de population faible par endroit et les moyens financiers pour mettre en place l'infrastructure sont réduits. Le principal problème dans les zones peu peuplées est le nombre élevé de stations de base à installer. Même les pays industrialisés sont confrontés à ce problème de couverture dans les zones rurales.
L'utilisation de fréquences moins élevées augmente sensiblement la portée des stations de base. Ainsi en 450 MHz, leur portée serait près du double de ce qu'elle est en 900 MHz. Ericsson4 et Nokia5 ont travaillé au début des années 2000, à la mise au point d'une norme GSM fonctionnant dans la bande de fréquence de 450 MHz6 et de 480 MHz7. Avec ces fréquences, la couverture radio pourrait atteindre 120 km. Ce serait particulièrement adapté aux zones côtières, désertiques ou rurales, là où le trafic est faible et le terrain plat.
Mais cette technologie n'a pas connu le succès commercial ; en 2012 cette bande de fréquence n'est utilisée nulle part pour des réseaux GSM et aucun téléphone compatible GSM-400 ou GSM-450 n'est commercialisé.

Identification des appareils et des abonnés

Carte SIM à l'intérieur d'un téléphone, la batterie étant enlevée.
Les téléphones mobiles contiennent une carte SIM qui permet d'identifier l'utilisateur et parfois de stocker un certain nombre de numéros de téléphone. Chaque appareil est identifié, quelle que soit sa marque, par un numéro IMEI que l'on obtient, en entrant sur le clavier, la séquence : *#06#. Il convient de noter ce numéro et de le signaler à son opérateur, en cas de vol, de façon à procéder à son blocage. Cet identifiant ne doit pas être confondu avec l'IMSI contenu dans la carte SIM.
Le code PIN est le mot de passe de la carte SIM ; le code PUK permet de débloquer une carte SIM, bloquée après l'introduction de 3 codes PIN erronés. Le code PIN2, s'il existe, est un mot de passe pour un sous-ensemble de fonctions précises de la carte SIM ; le code PUK2 lui est associé, de la même manière.
Cependant, sur un réseau cellulaire, un appareil est identifié via un code TMSI (Temporary Mobile Station Identifier) dérivé du code IMSI. Grâce à ce système de IMSI/TMSI, un téléphone portable ne voit pas son numéro d'appel divulgué sur le réseau, ce qui permet la confidentialité des appels : comme les TMSI changent souvent et sont alternativement attribués à plusieurs appareils, une personne interceptant le trafic a très peu de chance d'associer un numéro de téléphone à un TMSI.

Architecture réseau et protocole

Structure simplifiée des réseaux GSM (sans GPRS)
Le réseau spécifique pour le GSM s'appelle PLMN (Public Land Mobile Network), chaque opérateur ayant le sien propre. Il est relié au Réseau Téléphonique Commuté Public (RTCP), mais aussi directement aux autres réseaux de téléphonie mobile (UMTS, LTE) et à ceux des autres opérateurs.

Communication entre le téléphone mobile et la station de base

L'AMRT (accès multiple à répartition dans le temps ou en anglais, TDMA pour Time division multiple access) et l'AMRF (accès multiple à répartition en fréquence ou en anglais, FDMA pour Frequency Division Multiple Access) sont utilisées pour permettre à plus d'utilisateurs d'être connectés sans saturer le réseau.

Caractéristiques de l'interface radio

Le GSM utilise deux bandes de fréquences, l'une pour la voie montante (TX), l'autre pour la voie descendante (RX) auxquelles s'intègre des canaux de signalisation, la puissance du signal est modulée selon la distance entre l'antenne et le GSM considéré, ce qui permet d'avoir une estimation de la distance entre un utilisateur et l'antenne.
La bande 880-915 MHz est utilisée en Europe, pour la voie montante, tandis que la bande 925-960 MHz est utilisée pour la voie descendante. Chacune de ces bandes comprend 175 porteuses (canaux) de 200 kHz chacune ; elles sont, en France réparties entre 4 opérateurs (voir fréquences GSM en France). La modulation utilisée sur ces porteuses est la GMSK, qui permet d'éviter les chevauchements de porteuses.
Chaque porteuse comporte huit time slots (TS). Ils durent environ 577 μs. Les canaux physiques servant à émettre la voix (ou la signalisation) sont ces slots.
Chaque porteuse a un débit brut de 271 kbit/s, tandis que les canaux physiques ont un débit brut de 33,8 kbit/s. Le débit utile est quant à lui de 24,7 kbit/s en GSM. Ce débit est plus élevé avec les normes, optimisées pour le transfert de données GPRS et EDGE qui dérivent du GSM et utilisent les mêmes bandes de fréquence et les mêmes antennes-relais.
Le plan de fréquence GSM est assez complexe car il faut répartir les longueurs d'ondes utilisées entre les antennes de manière à éviter un effet de mise en résonance8 qui brouillerait les communications. Donc, la portée des antennes ainsi que la distribution des longueurs d'onde est un travail assez délicat afin que les cellules ne se brouillent pas entre elles (une cellule = la surface radiante d'une antenne).
Dans la pratique, s'il est placé en limite de cellule radio, un GSM peut voir jusqu'à 7 antennes, celle à laquelle il est actuellement attaché et 6 en réserve sur lesquelles il pourra permuter en cas de déplacement, dès que la puissance d'émission nécessaire pour communiquer avec l'une des antennes de réserve deviendra plus faible que celle nécessaire pour atteindre son antenne actuelle ; une règle étant d'utiliser en permanence l'énergie minimale pour communiquer.

Services

Le réseau GSM permet plusieurs services :
  • la voix ;
  • les données (le WAP, le Fax ou bien les fonctions d'un modem filaire classique) ;
  • les messages écrits courts ou SMS ainsi que leur successeur, le MMS ou Multimedia Messaging Service ;
  • le Cell Broadcast (diffusion dans les cellules), qui 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, par exemple les services de localisation (Location Based Services), d'information à la demande (météo, horoscope), de banque (consultation de compte, recharges de compte prépayées).

Couverture GSM dans le monde

Les réseaux GSM sont implantés sur une large portion de la surface terrestre, une condition nécessaire de connexion à un réseau étant la disponibilité de stations de base (« cellules radio ») à proximité de l'emplacement du téléphone mobile (la charge de la batterie du téléphone influence également la portée de réception). Ainsi, les zones faiblement peuplées (haute montagne, larges campagnes, déserts), les hautes altitudes (en avion par exemple), les cavités terrestres (grottes, tunnels) et la mer (au-dessus comme en dessous de la surface) sont souvent dépourvues d'accès réseau GSM.
Les réseaux GSM (Global System for Mobile Communications) couvrent 208 pays ou territoires en août 2008.

Europe

En Belgique, il existe trois opérateurs : Base, Mobistar, Proximus. GSM ou plus familièrement G est également l'expression couramment utilisée pour désigner un téléphone portable en Belgique, tant francophone que néerlandophone.
  • Proximus est une entreprise appartenant à Belgacom, l'opérateur historique (Vodafone possédait une participation de 25 %, mais celle-ci a été rachetée par Belgacom en août 2006). Proximus détient le plus grand nombre de clients pour la téléphonie mobile : 4 200 000 en décembre 2004, soit 52 % des parts du marché. Il avait commencé à offrir des services pour le 900 MHz puis pour le 1 800 MHz.
  • Mobistar est une entreprise créée en 1995 par France Télécom avec le groupe belge Telinfo, elle a également commencé à offrir des services pour le 900 MHz avant de proposer aussi le 1 800 MHz.
  • Base, (détenu par Royal KPN), est le dernier opérateur à apparaître sur le marché belge. Il a dès le début proposé le 1 800 MHz mais sans permettre le 900 MHz.
En France, il existe quatre opérateurs :
  • Orange France, via Orange, est une filiale de France Télécom, l'opérateur historique de téléphonie fixe français. Elle s'appelait autrefois France Télécom Mobile, et opérait sous les trois marques Itinéris, Ola et Mobicarte (26,5 millions d'abonnés mobiles en 20129).
  • SFR (groupe SFR-Cegetel) est un opérateur privé de téléphonie mobile qui appartient à 100 % à Vivendi Universal.
  • Bouygues Telecom est une filiale du groupe Bouygues, lequel est propriétaire notamment de la chaîne de télévision TF1.
  • Free Mobile est une filiale du groupe Iliad, lequel est propriétaire notamment du fournisseur d'accès à Internet Free ; il a proposé ses premières offres le 10 janvier 2012.
Les trois premiers réseaux proposent un accès en mode GSM et GPRS/EDGE aux services mobiles sur les bandes de fréquences de 900 MHz et 1 800 MHz, maintenant complétés par la technologie plus récente UMTS pour Orange, SFR et Bouygues Telecom. Le réseau de Free Mobile n'emploie que la norme UMTS sur la bande de fréquence de 900 MHz, il n'est pas compatible GSM. Les abonnés Free Mobile ont cependant accès aux réseaux GSM/EDGE et UMTS d'Orange grâce à un accord d'itinérance signé entre les deux opérateurs.
En Italie, il existe quatre opérateurs :
  • TIM Telecom Italia Mobile ;
  • Tre mot signifiant « trois » ;
  • Vodafone ;
  • Wind société fondée en 1997 par les groupes ENEL, France Télécom et Deutsche Telekom, mais à 100 % italienne depuis 2003, troisième opérateur italien (détient environ 19 % du marché).
Tre appartient à la Mobile Media Company du Groupe Hutchison Whampoa de téléphonie mobile œuvrant en Italie, non cotée en bourse, et qui a son siège social de même que son siège d'exploitation à Milan. Tre a été le premier opérateur à fournir en Italie les services de téléphonie mobile au standard UMTS (W-CDMA) ; la compagnie est propriétaire du réseau UMTS, tandis que pour les zones non desservies directement, elle a conclu un accord de roaming avec le réseau GSM/GPRS de TIM. Tre Italia est le premier opérateur italien et européen pour le nombre de clients UMTS/HSDPA/DVB-H.
Une antenne mobile pour GSM, en Suisse
La Suisse compte trois opérateurs de mobiles :
Le Portugal compte trois opérateurs de téléphonie mobile :

Afrique

Au Maroc, il existe trois opérateurs :
  • Maroc Telecom, filiale de Vivendi Universal premier opérateur pour le nombre de clients GSM/UMTS/HSDPA, offre ses services dans la bande 900 MHz, 17.871 millions d'abonnés (2012).
  • Meditel, le 2e opérateur GSM/UMTS/HSDPA au Maroc, détenu par les deux opérateurs Telefonica et Portugal Telecom, Actuellement l'opérateur France Telecom contrôle 40 %, il va probablement devenir Orange Maroc, offre ses services dans la bande 900 MHz, 11.495 millions d'abonnés GSM (2012).
  • Inwi, entré sur le marché en février 2010, détenu par les deux groupes marocains ONA et la SNI en partenariat avec l'opérateur Koweitien Zain qui contrôle 31 %, offre ses services GSM dans la bande 1 800 MHz, 10 150 millions d'abonnés GSM/EDGE (2012).
En Algérie, il y a trois opérateurs :
  • Mobilis, le plus ancien des trois. Filiale de l'opérateur historique Algérie Télécom (10 millions d'abonnés), en 2010.
  • Djezzy, détenu par l'égyptien Orascom Telecom Holding (14.9 millions d'abonnés), en 2010.
  • Nedjma, détenu par le groupe Watanyia et Qatar Telecom (8.02 millions d'abonnés), en 2010.
En Tunisie, il y a trois opérateurs :
Au Togo, il existe deux opérateurs :
Au Sénégal, il existe trois opérateurs :
  • Orange
  • Tigo
  • Expresso
Au Congo, il existe quatre opérateurs:
  • Airtel, filiale du Groupe Bharti
  • MTN Congo
  • Warid Congo
  • Azur-Congo, filiale du Groupe BINTEL
En Mauritanie, il existe trois opérateurs :
  • Mattel, la Mauritano-Tunisienne des Télécommunications ; le premier opérateur privé qui s'est installé dans le pays au mois d'octobre 2000 et qui compte à peu près 400 000 abonnés (un sixième de la population).
  • Mauritel Mobile, un opérateur dont l'État mauritanien détient la moitié ; filiale de Maroc Telecom et qui compte 500 000 abonnés (un cinquième de la population). Le 12 avril 2001, à la suite d'un appel d'offres international lancé par le Gouvernement mauritanien, Maroc Telecom l'opérateur historique au Maroc acquiert 54 % du capital de Mauritel SA.
  • Chinguitel, le nouveau né; une filiale du géant soudanais Sudatel. Chinguitel s'est implanté en 2007. Il compte déjà plus de 150 000 abonnés.
Au Niger il existe quatre opérateurs :
  • le premier opérateur privé qui s'est installé est Celtel Niger filiale du groupe Bharti Airtel operant sous la marque Airtel ;
  • second opérateur : « sahel com » ;
  • troisième opérateur Moov connu sous le nom de Telecel ;
  • enfin en 2008, le réseau Orange s'est installé au Niger.
Le Burkina Faso compte trois opérateurs :
  • Telmob, filiale de l'Office National des Télécommunications (ONATEL), l'opérateur historique.
  • Airtel (Celtel Burkina), filiale de Bharti Airtel, opérateur d'origine indienne.
  • Telecel Faso.
Au Mali, il existe deux opérateurs :
La Côte d'Ivoire compte 5 opérateurs :
  • MTN CI : premier opérateur de pays (Ex Telecel CI)
  • Orange CI : second opérateur, première filiale du groupe Orange en Afrique de l'Ouest, offrant la plus large couverture réseau du pays (Ex IVOIRIS)
  • Moov CI : l'opérateur Émirati a su s'imposer dans un secteur déjà concurrentiel. Il perdure aujourd'hui à la 3e place des opérateurs et offre à ses abonnés une communication satellitaire
  • Koz : le dernier arrivé essaie de se trouver tant bien que mal une place dans le paysage GSM du pays.
  • GreenN : C'est actuellement le tout dernier réseau qui vient de s'installer en Côte d'Ivoire avec l'option de diminuer le coût de la communication téléphonique en Côte d'Ivoire.
  • À noter l'arrivée prévue de 3 autres opérateurs ayant d'ores et déjà acquis une licence auprès des autorités ivoiriennes dont Café Mobile premier opérateur de téléphonie au capital détenu entièrement par des opérateurs ivoiriens .
Au Cameroun il existe 3 opérateurs principaux :
  • le premier opérateur est Orange Cameroun, filiale du groupe Orange avec 3,6 millions d'abonnés et +7,4% en 2012 10;
  • second opérateur : MTN_Cameroun
  • troisième opérateur: Ringo, utilisant notamment la technologie McWILL

Amérique

Les États-Unis qui utilisaient, pour des raisons historiques, une autre norme : le CDMA, possèdent depuis 2004, via les réseaux nationaux des opérateurs AT&T et T-Mobile une couverture GSM / UMTS de quasiment tout le territoire11.

Opérateurs virtuels

Il existe également des opérateurs virtuels qui n'ont pas d'infrastructure radio GSM, ni de bande de fréquence attribuée mais qui utilisent en location les réseaux des autres opérateurs : les MVNO.

Sécurité

Authentification

Le réseau GSM possède la particularité de n'authentifier que l'utilisateur, à l'aide de la carte SIM. Le téléphone n'authentifie pas le réseau. Il est alors possible de mener des attaques de type IMSI-catcher ou de l'homme du milieu afin d'intercepter les communications12.

Algorithme A5/1

Le 28 décembre 2009, un ingénieur logiciel et expert de chiffrement, Karsten Nohl, a révélé lors du Chaos Communication Congress que lui et un groupe avaient « cassé » le code de chiffrement GSM, A5/1. Leur attaque démontrait la possibilité de décrypter en quasi temps réel les communications. Malgré cela, des responsables du développement du GSM ont indiqué que, même si l'algorithme est maintenant accessible à tous, intercepter un appel reste compliqué13,14.

Couverture réseau

Beaucoup de prestataires de téléphonie mobile proposent sur leur site une page permettant de connaître pour chaque type de transmission (2G, 3G) les zones de réception. Celles-ci sont dans de nombreux cas surévaluées. Pour cette raison il existe plusieurs projets qui ont pour but de construire ce type de carte à partir de l'information fournie par la réception réelle des téléphones et smartphones intégrant un GPS; on peut trouver par exemple :
  • l'Agence nationale des fréquences (ANFR) a un site web qui présente une carte d'implantation des antennes 2G et 3G en France.
  • Opensignalmaps15 : Utilise une application (Android) pour récupérer les information d'intensité de signal (pour les États-Unis, l'Angleterre, l'Italie, l'Espagne, l'Allemagne et partiellement en France).
  • Sensorly fournit des cartes de couverture16 multiplateformes et multi opérateurs pour la France et l'Europe.
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