Conception et simulation d'un brouilleur GSM

ART	Agence de Régulation des Télécommunications
BCCH	Broadcast Control CHannel. Canal logique sur lequel sont diffusées périodiquement des informations système variant peu dans le temps.
BSC	Base Station Controller. Station qui contrôle les communications d'un groupe de cellules dans un réseau de communications GSM. Elle concentre le trafic de plusieurs BTS.
BSIC	Base Station Identification Code. Code de couleur permettant de distinguer deux BTS utilisant la même fréquence de voie balise.
BSS	Base station Sub System. Sous système radio composé d'un BSC et d'une BTS
BTS	Base Transceiver Station. Station de base d'un réseau GSM. Elle permet notamment d'émettre et de recevoir un signal radio.
Burst	Elément du signal transmis par un équipement à l'intérieur d'un slot TDMA
Cellule	Ensemble des points où le mobile peut dialoguer avec une station de base donnée avec une qualité suffisante.
CI	Cell Identity. Identité de cellule diffusée par la BTS sur le BCCH.
DCS 1800	Digital Cellular System 1800. Système reposant sur la norme GSM transposée dans la bande de fréquence 1800 MHz, adaptée aux réseaux micro-cellulaires.
EDGE	Enhanced Data for GSM Evolution est une évolution de la norme GSM hiérarchiquement supérieure au GPRS.
FOS	Filtre à Ondes de Surface
GPRS	General Packet Radio Service, transporte les paquets de données sur un réseau GSM
GSM	Global System for Mobile communication (Norme européenne de téléphonie mobile)
Handover	Mécanisme grâce auquel un mobile peut transférer sa signalisation d'une station de base vers une autre, ou sur la même station, d'un canal radio vers un autre.
IT	Intervalle de Temps/timeSlot
ITU	International Telecommunication Union
LAC	Location Area Code. Code d'une zone de localisation au sein d'un réseau donné
MS	Mobile Station. Terminal GSM muni d'une carte SIM et susceptible de fonctionner sur un réseau
NSS	Network sub-System. Sous-système d'un réseau de téléphonie mobile. C'est la partie principale qui prend en charge la commutation des appels, la signalisation et l'identification.
PLL	Phase Locked Loop, boucle d'asservissement à verrouillage de phase
QoS	Quality of Service
RACH	Random Access CHannel, est le seul canal par lequel un mobile en veille entre en communication avec le reseau
RxLevAccessMin	Niveau minimum autorisé par la BTS pour qu'un mobile puisse entrer y communiquer
RxLev	Received Signal Level. Mesure du niveau de champ reçu sur un canal, effectuée par un mobile et codée sur 6 bits par pas de 1 dB.
RxQual	Received Signal Quality. Mesure d'1/2 seconde de la qualité du signal reçu par estimation du taux d'erreur binaire (BER)
SFH	Slow Frequency Hopping. Saut de fréquence lent. Processus par lequel l'émetteur et le récepteur changent de fréquence à chaque nouvelle trame TDMA.
SMS	Short Message Service. Service bidirectionnel de messages courts
TDMA	Time Division Multiple Access, Accès Multiple à Répartition dans le Temps
Trafic	Mesure de l'occupation des canaux d'un élément du réseau (en Erlang)
TRE	Equipement matériel d'émission-réception permettant de gérer une paire de fréquences GSM.
TRX	Identification logique d'un TRE
TS	TimeSlot
TS0	TimeSlot0, est le canal porteur du BCCH sur une cellule
Voie balise	Canal utilisé par le système pour diffuser des informations permettant au mobile d'acquérir les paramètres système (synchronisation, fréquence, emplacement des canaux, localisation, ...)

La ferme volonté de maintenir silencieuse une salle de conférence, de cinéma ou des cultes religieux, ne suffit pas toujours à assouvir ce profond désir. Des mesures assez expressives, parfois formulées en tracts, continuent d'échapper à la vigilance d'individus dont les sonneries de téléphones portables contribuent lamentablement à briser cette tranquillité pourtant chèrement souhaitée.

La solution que nous préconisons à cet effet est le développement d'un brouilleur de fréquence GSM dont l'attribut principal est celui de rendre inopérants les mobiles GSM situés dans une zone donnée, tout en confinant, au mieux, les rayonnements électromagnétiques qui en seront émis afin d'éviter d'éventuelles interférences avec les signaux d'opérateurs téléphoniques en dehors de cette zone de service.

Les résultats qui en découlent font figure d'un brouillage à 50% des informations binaires normalement véhiculées par le réseau qui pour le moins, garantit une rupture certaine entre le mobile et le réseau GSM. En outre, le mode de fonctionnement définit pour ce brouilleur, limite implicitement le taux de consommation d'énergie électrique et de fait, préserve dignement l'environnement dans lequel il se trouve.

Mots clés : Brouilleur, GSM, canal RACH

It takes more than sheer good will to successfully keep a conference room, a cinema hall or a church silent. Although numerous measures have been taken, some of which include leaflets or notice boards, they remain unfortunately ineffective because of the negligence of people. Consequently, the phone rings keep on disturbing the solemn quietness dearly required in such places.

The solution that we propose for this purpose is the design of a Jammer functioning over the GSM frequency band. Its main objective consists in forbidding communication of GSM terminals located in the target area, by containing its electromagnetic emission in order not to disturb the signal broadcasted by any telephonic operator equipment beyond this dedicated area.

The results obtained from this conception show a 50% alteration of received binary information normally produced by the network, which is more than sufficient to breakdown the link between the mobile phone and the GSM network. Moreover, the functioning mode imposed to the jammer guarantees implicitly the limitation of electrical energy usage which therefore contributes to protect his nearby environment.

Keywords : Jammer, GSM, RACH channel

Listes des Figures

Figure 1 : picocellule 14

Figure 2 : simulation des pertes en chemin 15

Figure 3 : pertes dus au nombre d'etages 17

Figure 4 : perte en chemin inférieure (en bleu) et supérieure (en rouge) suivant le modèle d'Ericsson 18

Figure 5 : Géométrie pour le modèle COST 231 de pénétration en visibilité directe à l'intérieur d'un immeuble 19

Figure 6 : Géométrie pour la pénétration dans les immeubles en visibilité non directe 20

Figure 7 : diversité de trajets pour la propagation entre étages 22

Figure 8 : Géométrie à 2 obstacles 23

Figure 9 : pertes en chemin en fonction du nombre d'étages 24

Figure 10 : propagation dans un étage 25

Figure 11 : Profil de retard de puissance doublement exponentielle pour des canaux intérieurs. 28

Figure 12 : Nécessité de maitriser le rayon d'action du brouilleur 31

Figure 13: Les bandes fréquentielles du GSM ^[6] 35

Figure 14: Ecart adjacent - Ecart duplex ^[7] 36

Figure 15: Description d'un time slot ^[7] 36

Figure 16 : Présentation de la structure hiérarchique des multitrames ^[8] 37

Figure 17 : Le canal physique pour une transmission duplex^[7] 38

Figure 18 : Le partage fréquentiel duplex 38

Figure 19 : L'importance du Timing Advance^[7] 39

Figure 20 : La transmission d'une trame de parole sur 8 trames TDMA 40

Figure 21 : Les canaux logiques dédiés ^[5] 41

Figure 22 : Les canaux de contrôle diffusés BCCH ^[8] 43

Figure 23: Les canaux de contrôle communs ^[8] 44

Figure 24 : organigramme de fonctionnement du brouilleur 49

Figure 25 : schéma bloc de fonctionnement du brouilleur 50

Figure 26 : structure d'une PLL[10] 51

Figure 27 : plage de verrouillage et de capture d'une PLL[10] 52

Figure 28 : synthétiseur de fréquence. 53

Figure 29 : filtre d'ordre 3 53

Figure 30 : circuit de recherche du canal 54

Figure 31 : détection d'un mobile en activité dans la zone de brouillage 55

Figure 32 : principe de mesure de niveau de champs 56

Figure 33 : schéma d'une superdiode 56

Figure 34 : synchronisation du brouilleur 56

Figure 35 : configuration minimale d'un TS0^[11] 56

Figure 36 : structure d'un canal RACH [12] 56

Figure 37 : structure d'une trame RACH [11] 56

Figure 38 : décodage et reconnaissance des services sollicités 56

Figure 39 : décodage différentiel 56

Figure 40 : interférence cocanal [14] 56

Figure 41 : évaluation du gain de contrôleur de puissance 56

Figure 42 : Diagramme de Fresnel du signal résultant du brouillage 56

Figure 43 : plan de brouillage des ondes 56

Figure 44 : architecture structurelle de l'application 56

Figure 45 : page d'accueil 56

Figure 46 : circuit de mesure des niveaux de champ. 56

Figure 47 : résultat de la mesure avec amplificateur opérationnel 56

Figure 48 : résultat de la mesure sans amplificateur opérationnel 56

Figure 49 : vobulateur de fréquence 56

Figure 50: dimensionnement du contrôleur automatique de gain 56

Figure 52 : résultats du calcul des paramètres du brouilleur 56

Figure 52 : chaine de brouillage 56

Figure 54 : évaluation du taux d'erreurs binaires reçus 56

Figure 55 : comparaison des bits émis avec les bits reçus après brouillage. 56

Figure 56 : maquette du brouilleur 56

Listes des Tableaux

Table 1 : exposant de perte en chemin Table 2 : facteur de pénétration pour le plancher 16

Table 3 : perte en chemin en fonction de la distance 17

Table 4 : paramètres pour le Modèle COST 231 en visibilité directe 20

Table 5 : Paramètres pour le modèle Cost231 en non visibilité directe. 21

Table 6 : Permittivité complexe pour matériaux de construction. 26

Table 7 : Paramètres du canal large bande à l'intérieur d'un bureau 27

Table 8 : Écart type du retard pour liaison intérieur vers intérieur 28

Table 9 : quelques services rendus par un canal RACH [12] 56

Table 10 : tableau récapitulatif des temporisations utilisées 56

Table 11 : taux d'erreurs binaires en fonction du service 56

Table 12 : Estimation financière du projet 56

Listes des Figures 4

Listes des Tableaux 5

Introduction 9

Chapitre I : Contexte et Problématique 11

1. Historique 12

1.1. La pollution des ondes 12

1.2. Le brouillage avec gestion des appels d'urgence 13

1.3. Le brouillage après détection d'appel 13

2. Modèles de base de propagation dans les environnements picocellulaires ^[3]. 13

2.1. Modèles tenant compte des murs et des étages 14

2.1.1. Modèle multi mur COST231 16

2.1.2. Modèle d'Ericsson 17

2.2. Modèles empiriques de propagation à l'intérieur des bâtiments 18

2.2.1. Modèle COST 231 en visibilité directe 19

2.2.2. Modèles de gain d'étage 20

2.2.3. Modèle COST 231 en visibilité non directe 21

2.3. Modèles physiques de propagation intérieure 22

2.3.1. Propagation entre étages 22

2.3.2. Propagation a l'intérieur d'un étage 25

2.3.3. Paramètres constitutifs des modèles physiques 26

2.4. Ombrage 26

2.5. Les effets des chemins multiples 26

3. Problématique 29

3.1. Blocage des SMS et des appels entrant/sortant 30

3.2. Maitrise du rayon de brouillage 30

3.3. Préservation de l'environnement par utilisation contrôlée de l'énergie électrique 31

4. Conclusion 31

Chapitre II : Etat de l''Art 33

1. Etat actuel de la conception des brouilleurs GSM 34

2. Caractéristiques de l'interface Radio^[5] 35

2.1. Partage des ressources radio 35

2.1.1. Multiplexage fréquentiel (FDMA) 35

2.1.2. Multiplexage temporel 36

2.1.3. Les structures temporelles de la multitrame à l'hypertrame 37

2.2. Le duplexage 38

2.2.1. Le canal physique duplex 38

2.2.2. La numérotation des porteuses 38

2.2.3. Compensation du temps de propagation aller et retour 39

2.2.4. La transmission sur l'interface radio : cas de la parole 40

2.2.5. Les canaux de l'interface Radio ^[8] 40

2.3. Le saut de fréquence ^[9] 45

2.3.1. Le NH (NoHopping) 46

2.3.2. Le saut de fréquence en bande de base BBH (Base Band Hopping) 46

2.3.3. Le SFH 46

Chapitre III : Méthodologie et conception 48

1. Organigramme de fonctionnement du brouilleur 49

1.1. Détection d'activité sur une fréquence 50

1.1.1. Recherche d'un canal ou d'une fréquence 50

1.1.2. Détection d'une activité par mesure des niveaux de champ - synchronisation du brouilleur 55

1.1.3. Démodulation 56

1.2. Reconnaissance du contenu d'un canal RACH 56

1.2.1. Constitution d'un canal RACH 56

1.2.2. Reconnaissance d'un service dans une trame RACH 56

1.3. Procédure de brouillage 56

1.3.1. Estimation des pertes en chemin 56

1.3.2. Nature des ondes émises : génération d'un simple ton 56

1.3.3. Fenêtrage du signal produit par le brouilleur 56

1.4. Construction des horloges 56

2. Conclusion 56

Chapitre IV : Résultats et commentaires 56

1. Présentation de l'application informatique 56

1.1. Circuit de mesure des niveaux de champ 56

1.2. Le vobulateur de fréquence 56

1.3. Dimensionnement du contrôleur automatique de puissance(CAG) 56

1.4. Chaine de brouillage 56

2. Proposition d'une maquette du brouilleur 56

3. Etude financière du projet 56

4. Conclusion 56

Conclusion 56

Générale 56

Annexes 56

Introduction

L

'essor qu'a connu la communication sans fil le siècle prcédécent, s'est accompagné d'une forte prolifération d'équipements radioamateurs, tous destinés à rendre des services variés. Nombre d'entre eux, ont porté l'interrogation vers le développement infrastructurel d'éléments devant assurer l'établissement d'une liaison dite réseau d'accès, entre abonné et système de télécommunications. Le téléphone portable pour le GSM (Global System for Mobile Communications) a été d'une grande contribution à l'exploitation des offres rendues par cette norme. De fait, le succès de son utilisation a sublimé le besoin d'en posséder un, au point de s'incruster dans les moeurs de la plupart des sociétés. De plus en plus, il devient récurrent d'entendre sonner des téléphones portables en des lieux parfois inappropriés, assouvissant ainsi le besoin d'émission ou de réception d'appels au détriment du culte du silence y attendu. La nécessité de définir une discipline de gestion de ces contentieux devient, dès lors, inexorable. Des moyens ont été initiés à cet effet, dans la mesure de contrôler voire maitriser en zone interdite d'usage, la sonnerie de terminaux GSM. De fait, l'idée du développement de brouilleurs de fréquence, a suscité la curiosité de radioamateurs, désireux de conquérir une part importante de ce marché s'annonçant fructueux à terme. Pour les administrateurs de place public, il s'agit d'une ultime occasion à saisir pour la gestion de sonnerie de téléphone portable, qui jusqu'ici, dépendait de la bonne foi de ses utilisateurs. Pour la juridiction locale, ce défi annoncé devra préserver tant les intérêts des opérateurs de téléphonie mobile que ceux des administrateurs desdits lieux. C'est dans ce sillage que s'inscrit ce thème de recherche, intitulé « conception et simulation d'un modèle de brouilleur GSM » duquel est principalement attendu, le dimensionnement d'un équipement générateur des signaux radio pouvant systématiquement interdire toute communication indésirée dans un espace fini, sans perturbation hors zone d'action, des rayonnements autorisés par la législation en vigueur.

L'ordonnancement des parties de ce document, fera état dans un premier temps, du contexte historique qui a été à la clé de l'usage actuel de brouilleur, rappelant à l'occasion les contraintes légalement exigées à leur développement ainsi que les moyens jusqu'ici employés à cette même fin. Dans un second temps, nous proposons des méthodes d'élaboration d'un plan de brouillage approprié, venant en réponse à la problématique suscitée par ce thème, tout en s'identifiant, au mieux, à la règle de l'art définie dans le contexte. Enfin, les résultats tributaires des procédés antérieurement mis sur pied, feront l'objet de la plateforme de dimensionnement et de simulation que nous avons conçue à cet effet qui dans la foulée, permettra d'envisager un prototype fonctionnel du brouilleur ainsi désigné.

Chapitre I : Contexte et Problématique

Nous rappelons dans ce chapitre les principales motivations qui ont poussé à l'adoption de la méthode de brouillage pour empêcher les mobiles de sonner, en soulevant au passage la problématique entourant le développement de tels équipements.

En même temps que le téléphone portable a connu une importante propension, la demande en brouilleurs GSM s'est accrue au détriment de l'avis défavorable des opérateurs de téléphonie mobile. L'initiative remonte en effet, des multiples plaintes enregistrées dans les places publiques à vocation ludique ou religieuse où l'importance du silence n'est plus à démontrer. Cette partie vise à rappeler plus généralement, les motivations propres au développement des brouilleurs suivant les aspects tant péjoratifs que mélioratifs de leur utilisation. En outre, des détails sur les contraintes techniques liées à leur production et exigées par l'ART, seront évoqués dans la mesure de mieux définir les contours de la problématique associée à ce sujet de recherche.

1. Historique

Fort est de constater qu'il n'existe aucune garantie de maintenir silencieux un terminal mobile (regorgeant pourtant toutes les fonctionnalités le permettant), en se contentant d'en aviser son utilisateur. L'inefficacité de cette méthode s'est démontrée à plusieurs niveaux : on pourrait parfois l'imputer à la négligence, à l'oubli ou plus simplement à l'ignorance de ses usagers. Il devient dès lors important de mettre sur pied un moyen beaucoup plus robustesse et moins contraignant pour ces usagers, qui saurait interdire tout appel indésiré, dans un environnement précis. Interdire les appels par brouillage semble être la solution la mieux exploitable.

Comme pour tout système sans fil, l'interface Radio d'un réseau GSM est réputée vulnérable à l'altération des données qui y sont transmises ; laquelle justifie les multiples formes de codage (code source, canal,...) employées à cet effet. Cette faille constitue l'ultime ouverture pour la conception de brouilleur dont le fonctionnement repose essentiellement sur cette interface. Il sera d'autant plus efficace qu'il pourra altérer, au mieux, des signaux radio et de fait, perturber leur réception. En 1997, Raoul Girod a déposé le premier brevet d'invention de brouilleurs de téléphone portable [1], afin de résoudre le problème de sonnerie dans les salles de cinéma, de concert, de conférence, des restaurants, et autres lieux publics. A sa suite, plusieurs autres radioamateurs s'y sont lancés et aujourd'hui, on peut résumer l'ensemble de ces réalisations aux trois situations ci-dessous [2]:

1.1. La pollution des ondes

La zone est couverte par un brouilleur de type pollueur. Toute forme de communication depuis un téléphone mobile est impossible. En général, avec ce type d'appareil relativement peu intelligent, on ne peut pas s'assurer que le brouillage ne déborde pas à l'extérieur du périmètre concerné. Le pollueur, interdit en France, constitue la technique de brouillage la plus extrême. Ce boîtier émet en permanence un signal parasite sur la même fréquence que celle des relais téléphoniques.