Voie balise en GSM,
canaux de contrôle en diffusion
Philippe Godlewski, Li Ming & Philippe Martins
ENST, dep. InfRes
2005, v.p.
ENST - 2005
Ph.G. LI M, Ph. M
1
?.
« Le petit Poucet grimpa au
haut d'un arbre, pour voir s'il ne
découvrirait rien ; ayant tourné
la tête de tous côtés, il vit une
petite lueur comme d'une
chandelle, mais qui était bien
loin, par delà la forêt.»
Charles Perrault
Petite lueur … sans doute le signal
subit-il une perte de parcours
(pathloss) sévère
“The maximum path loss category
(Category A) is hilly terrain with
moderate-to-heavy tree densities.”
[IEEE 802.16.3c-01/29r4]
ENST - 2005
Où, le petit Poucet, en
roaming (il a perdu son
chemin, he has lost his
path), découvre une
balise qui va le guider
La fonction
de “voie balise”
permet au mobile
d’un usager en "errance"
– de découvrir un service
– de se repérer dans un
système
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2
Voie balise
La fonction de “voie balise”
est indispensable
– dans un système cellulaire pour gérer le
roaming (« l’errance », l’itinérance),
– dans un WLAN, pour montrer la présence du
réseau (~ « resource discovery »).
– Elle facilite les handovers (transferts inter
cellulaires).
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3
Questions que se pose un nomade
•
En “errance” (roaming, “itinérance”) :
–
–
Où zone-je ? (cf. zone de localisation, LA)
En quel état j’erre ? (roaming international)
Plus sérieusement
• Puis-je téléphoner (de quels services je peux
disposer) ? …
–
–
–
De mon réseau “nominal” (home) ?
D’un réseau visité (visited)? … Par quel opérateur
vais-je me faire dévorer ?
la voie balise
Dois-je me réinscrire?
GSM facilite
(le mobile le fait automatiquement)
les réponses
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4
Concept de “voie balise”
La station de base comme “phare” ou “balise” :
• balise analogique / balise logique
• fréquence BCCH (= fréquence balise)
•…
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5
Canaux de contrôle en diffusion
• Dans un système radio mobile cellulaire, les
canaux de contrôle en diffusion
permettent à chaque mobile
– de détecter la présence d’un réseau (services GSM)
– d’accéder au système local en acquérant les paramètres
analogiques et logiques nécessaires
• Autres terminologies ~ beacon, voie balise
• Analogie avec un phare
– … pour les bateaux (lighthouse)
• Remarque :
Contrôle ≠ Info. utilisateur
– BCCH ≠ CBCH (Cell Broadcast CHannel)
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6
BS (relais GSM), phare
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7
Notion de « balise »
• Un système radio mobile a besoin
d’un “signal” de référence
– Ce “signal” permet au mobile
• de détecter la présence du système ;
• de choisir la meilleure BS (en français : station de base ou
relais) ; on parle de la meilleure serveuse (best server) ;
• de se synchroniser (en temps, en fréquence) ;
• de connaitre le paramétrage local du système.
– Ce “signal” est diffusé (broadcast) et sert au contrôle
du système
• il ne véhicule pas, a priori, d’information utilisateur
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8
Fonction de « voie balise »
• Une fonction “voie balise” présente
– des aspects “analogique”
• par exemple, détection de signaux témoignant
d’un certain type d’activité
Phare
ou balise
« il vit une petite lueur comme d'une chandelle »
(activité ~humaine ?)
• sélection d’un signal “proche” (puissant)
• synchronisation sur des impulsions
• positionnement (cf. LBS)
– des aspects plus “logiques”
• acquisition d’horloge, de paramètre,
• d’adresse ou identités, ….
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Acquisition
d’un
contexte
9
Fonction « voie balise » en GSM
• La fonction de “balise” présente plusieurs
aspects dans GSM
– Phare, détection de ressources, synchronisation,
– Diffusion de paramètres « système »
• Elle est réalisée dans GSM via
– Une porteuse (par cellule),
qui réalise la fonction « phare »
• « fréquence-balise » = « BCCH frequency »
– Un canal physique (sur un slot n° 0) de cette porteuse
qui supporte différents canaux logiques dont le BCCH
• éventuellement d’autres canaux phy peuvent être utilisés
pour réaliser la vois balise en supplément du slot « 0 »)
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Broadcast Channels en GSM
• La fonction de phare
“analogique”
sur la porteuse (f 1, sur la fig.)
supportant la balise
f2
f7
– Puissance constante (maximum)
f3
f4
f1
f6
f5
• Une première détection des balises
peut être fait suivant un critère de puissance
– Activité constante (dummy burst)
• Des bursts sont émis même quand il n’y a pas d’information
• Ceci renforce la robustesse de la détection
• Des cellules voisines ont des fréquences-balise
différentes
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Fréquences, canaux physiques,
trames, multitrames
Rappels sur les ressources radio :
• porteuse = fréquence, la porteuse est “slottée”
• trame TDMA = 8 slots ; slot ~ canal physique
• multitrame à 51
• organisation de la voie balise (1er survol)
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Porteuses et canaux physiques
f
time slot
200 kHz
f1
1 carrier
0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 t
1 TDMA frame
= (12/13) 5 ms
• Pour réaliser la voie balise sur une cellule,
on distingue une porteuse (carrier) spécifique (ici f1)
et le canal physique qu’elle supporte sur le slot 0.
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13
Multi trame, trame et burst
Multi trame Multi frame (= 51 TDMA frames ≈ 235.38 ms ~ ¼ s )
10
0 1
20
30
51
40
trame TDMA TDMA frame
Slot, IT
Time Slot
0 1
7
Burst
slot: 156,25 bits (577 µs)
8,25 bits (30,46 µs)
burst
3 bits
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144 bits
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3 bits
14
Que supporte la fréquence balise ?
La solution
Sur le
slot 0,
fr. BCCH
51-Multi frame (duration: 51 TDMA frames)
FS
FS
B
BCCH
frequency f1
FS
BDTDT T T T
0 1 2 3 4 5 6 7
or
f1
B T T T T T T T
0 1 2 3 4 5 6 7
FS
FS
Average cell case
• 1 PhyCh = 1 BCH + CCCH
• 2 PhyCh = 2×(8 SDCCH)
• 5 PhyCh = 8×(TCH)
Small cell case
• 1 PhyCh = 1 BCH + CCCH +
+ 4 SDCCH
• 5 PhyCh = 8×(TCH)
La fréquence « balise » (ou BCCH)
supporte des canaux logiques en diffusion (F, S, B)…
mais aussi d’autres types d’information
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15
On rentre dans les détails
FCCH, noté F
SCH, noté S
BCCH, noté B
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Type de canaux en diffusion
• Canaux en diffusion
(GSM Broadcast Channels)
3 types de canaux (~logiques)
– FCCH,
– SCH,
– BCCH,
Frequency Correction
Synchronization
Broadcast Control
• Remarques
– CH = channel, CCH = control CH
– Stricto sensu, le FCCH n’est pas un canal logique,
mais une « balise » physique … cependant, il est
souvent assimilé à un canal logique.
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FCCH
• Frequency Correction Channel : permet un
calage sur la fréquence de la BS
• consiste en un burst particulier émis environ
toutes les ~50 ms
• burst composé de 148 bits à « 0 »
• émis sur la porteuse f0 : il produit un signal
sinusoïdal de fréquence f0+1625/24 kHz
• présent seulement sur le slot 0 de la voie balise
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18
FCCH
Le burst FCCH
• émis dans les trames 0, 10, 20, 30 et 40 d’une
multitrame à 51 trames
• émis 5 fois en 235,8 ms, soit environ 20 fois par seconde
• la détection de ce burst (comme celle d’un burst SCH)
signifie que le mobile écoute (effectivement) une voie
balise
F
0 1
F
F
F
F
10
20
30
40
Figure 1. FCCH dans la multitrame à 51 trames
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19
SCH
• Synchronisation Channel: fournit aux mobiles
tous les éléments nécessaires à une
synchronisation complète
• Dispose de la séquence d’apprentissage
(longue) de 64 bits
• Deux niveaux de synchronisation
– analogique, fine : top d’horloge (pip)
pour mesurer le TA (Timing Avance, avance en
temps)
– logique : heure « logique » locale du réseau
FN (Frame Number)
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20
SCH
• Structure du burst
– composé de 78 bits de données de contrôle encodés (protégés)
– et d’une séquence d’apprentissage
• Position dans la multi-trame
– toujours après le burst FCCH
slot: 156,25 bits (577 µs)
8,25 bits (30,46 µs)
Bits de données
encodés
3 bits
39 bits
Séquence étendue
d’apprentissage
64 bits
Bits de données
encodés
39 bits
3 bits
Figure 2. Structure du burst du synchronisation (source [GSM 05.02])
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21
Implantation du SCH
… dans une multitrame à 51
– sur les cases (trames) 1, 11, 21, 31, 41
(~toutes les 10 trames TDMA : FN0+1+ k × 10 )
FS
FS
10
0 1
FS
FS
FS
20
30
40
50
Figure 3. Position de SCH dans une multitrame trame
(source: d’après [GSM 05.01])
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22
SCH, synchro “fine”
• Synchronisation fine
– Le SCH permet un calage précis en temps
exécuté par le mobile.
– En corrélant le burst reçu, via un filtre adapté
(à la séquence d’apprentissage étendue de 64 bits)
on obtient un « top » (d’horloge).
• Remarque : cette séquence de 64 bits est unique dans tous
les réseaux GSM …
– Avant l’observation du burst SCH,
la synchronisation est de l’ordre de la dizaine de µs
– Après l’analyse du burst SCH, la synchronisation est
l’ordre de la µs
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23
Détection d’un burst SCH
Autocorrelation
(MFilter output,
no noise)
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Matched Filter output
with noisy channel
(~CNR < 0 dB)
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24
SCH : séquence d’apprentissage
• La séquence d’apprentissage longue (64 bits)
pour le SCH (“extended training sequence”)
[1011100101100010000…
0010000001111001011…
0101000101011101100…
0011011]
• Séquences d’apprentissage normales (26 bits)
pour le BCCH, TCH, … , SDCCH, SACH, AGCH
Tsc(0)=[00100101110000100010010111]
Tsc(1)=[00101101110111100010110111]
Tsc(2)=[01000011101110100100001110]
Tsc(3)= …
Tsc(8)=[11101111000100101110111100]
… adressée par le BCC (3 bit) du BSCI
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25
SCH : paramètres transportés
• FN codé en RFN (Reduced Frame Number) :
– le RFN, 19 bits, permet de déterminer le FN
• BSIC (Base Station Identity Code) :
– 6 bits, permettant de discriminer 2 base stations
utilisant la même fréquence balise (ou freq. BCCH)
• Mode de transport : codage de canal
– codage convolutionnel de taux 1/2
– paramètres [RFN, BSIC] (19 + 6 bits) encodés sur
2×39 bits, soit 78 bits
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26
SCH : RFN et synchro logique
• Le RFN (Reduced FN) et le FN (Frame Number)
– RFN est une écriture « compacte » du FN
– 0 ≤ FN < Modulo = 51*26*211
… Log2(Modulo) = 22 bits
– Il comprend 19 bits (au lieu de 22 : on gagne 3 bits (!))
découpés en 3 champs
• N° de la supertrame courante dans l’hypertrame, 11 bits
• N° de multitrame à 51 par rapport à la supertrame, 5 bits
• 3 bits (et non log2(51)= 6) donnant la place du SCH parmi
les 5 places possibles dans la multitrame à 51
(c’est ici qu’on économise les 3 bits… )
Remarque : Modulo = 2715648 -> 3h 28 min 53.76 s
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27
SCH : BSIC
• BSIC (Base Station Identity Code)
– Identité « locale » de la station de base
~ « code de couleur » (color code)
le couple (f0 , BSIC) permet de déterminer
(localement) une cellule
– Comprend 6 bits, BSIC = [BCC, NCC]
• 3 bits (8 valeurs) de BCC (BTS Color Code),
un code représentant une station de base
• 3 bits de NCC (Network Color Code), un code
représentant un PLMN … ~ « coloriage de carte »
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28
SCH : rôle du BSIC (partie BCC - 1)
f2
f3
BSIC=0
BSIC=0
f1
f7
BSIC=0 BSIC=2
f7
f1
f4
f6
f2
BSIC=0
BSIC=0
BSIC=0
BSIC=2
BSIC=2
f6
f5
f2
f3
BSIC=0
BSIC=0
BSIC=1
BSIC=1
Figure 4. Utilisation du BSIC
(Base Station Identity Code)
sur la même fréquence BCCH
• Dans l’exemple, les 2 cellules grisées ont leur voie balise
sur la même porteuse f1.
• Pour les différencier, on leur attribue 2 BSIC différents
quant au BCC (BCC= 0 et BCC= 2 sur la fig.).
• A ces 2 valeurs de BSIC, correspondent 2 séquences
d’apprentissage différentes (de 26 bits) pour les bursts
dits « normaux ».
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29
SCH : rôle du BSIC (partie BCC - 2)
f2
f3
BSIC=0
BSIC=0
f1
f7
BSIC=0 BSIC=2
f7
f1
f4
f6
f2
BSIC=0
BSIC=0
BSIC=0
BSIC=2
BSIC=2
f6
f5
f2
f3
BSIC=0
BSIC=0
BSIC=1
BSIC=1
Figure 4. Utilisation du BSIC
(Base Station Identity Code)
sur la même fréquence BCCH
• Sans le BSIC (en fait la partie BCC du BSIC) le mobile
ne connait pas la séquence d’apprentissage TSC (sur 26
bits) de la cellule.
=> Il ne peut pas démoduler correctement les autres
slots (supportant les autres canaux BC-, P-, T-CH).
• Le mobile accroché à une BS (avec un certain BCC) ne
peut pas s’accrocher insidieusement à une autre BS
proche (même si elle utilise les mêmes fréq.)
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30
SCH : rôle du BSIC (partie NCC)
f1
f1
BSIC=0, 3
Figure 5. Utilisation du BSIC
BSIC=0, 2
sur deux PLMN limitrophes
• La partie NCC du BSIC permet de distinguer
« logiquement » 2 opérateurs GSM de deux
pays limitrophes utilisant les mêmes fréquences
– même si il y a une double "collision" : (1) de fr. BCCH
et (2) de la partie BCC du BSIC.
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31
BCCH
• BCCH (Broadcast Control Channel) :
diffuse les autres paramètres logiques
(ou information système)
caractéristiques de la cellule
• débit de 782 bps (config. de base)
• Mode de transport
– Informations "système" groupées en mots de 23
octets (184 bits utiles)
– Les 184 bits sont codés en 456 bits
et divisés en 8 demi-blocs de 57 bits
– Les 8 demi-blocs sont entrelacés sur 4 bursts
normaux (schéma classique)
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32
BCH : les info “système”
•
•
les paramètres de sélection de la cellule
(niveau minimal de signal exigé, niveau maximal de puissance
autorisée)
numéro (identifiant) de zone de localisation LAI
– permettant de prendre la décision de handovers
•
•
•
•
•
•
•
les paramètres RACH donnant les règles d’accès aléatoire
la description de l’organisation des canaux de contrôle commun
la description de l’organisation du canal CBCH (Cell Broadcast CH.)
les fréquences des voies balises des cellules voisines
(~la "description" des cellules voisines)
la liste des porteuses allouées à la BS (si nécessaire)
CI (Cell Identity) … (~~BSIC)
d’autres paramètres nécessaires ( par ex: utilisation du DTX,
du contrôle de puissance, etc.)
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33
BCCH
• Place du BCCH dans la trame
– se trouve sur le slot 0 en général,
– possibilité (d’utiliser aussi, en supplément)
les slot 2, 4, 6.
• Place dans la multitrame
F S BCCH
FS
10
0 1
FS
FS
FS
20
30
40
50
Figure 6. Position de BCCH dans une multi trame à 51.
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34
Petite synthèse
Type
Taille du
bloc en bits
utiles
Taille du
bloc
codé
Nombre de
bursts (entrelacement)
FCCH
0
SCH
25
78
1
BCCH
184
456
4
Débit
d’entrée(bps)
782
Délai dû à
l’entrelacement(ms)
Périodicité
du
bloc(ms)
Place dans la
trame
TDMA
0
sur slot 0, 10,
20, 30, 40
0
sur slot 1, 11,
21, 31, 41
14
235,8
sur slot 0, 2,
4, 6
782 ??
Solution :
= 184 bit /durée_mutitrame_à_51
= 184 /(51*5*(10^-3)12/13) = 781,7
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35
Fréquence balise, canal physique 0
La fréquence balise (BCCH frequency) supporte aussi des
canaux communs, CCCH, et parfois dédiés (DCCH)
Typical
cell case
FS
B
A
FS
Broadcast Control
Smal cell
case
FS
ENST - 2005
B
A
FS
A
A
FS
A
Common Control
P
P
FS
A
FS
P
P
FS
P
P
Dedicated Control
D0
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D1
FS
D2
D3
F S A0/A2 A1/A3
36
Scénario d’une première
connexion
On scrute,
on se synchronise,
on décode.
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37
Scénario d’une première connexion
Le mobile est allumé
• Il scrute les bande GSM possibles
– 900, 1800 (DCS), 1900 (PCS), 850 (AMPS), …
dans un ordre adéquat (qui peut être indiqué dans la
carte SIM)
• Il classe les bandes suivant la puissance reçue
• Sur une bande ou le signal est puissant
B timing
… il recherche
analysis
– un signal « slotté » (TDMA, 4.6154)
– FCCH (détection dune fréquence pure après
démodulation).
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38
Scénario d’une 1ere connexion (suite)
• Si il détecte un FCH, il se cale en fréquence
(synchronisation en f)
• Il recherche un burst SCH
Lorsqu’il en détecte un :
– il se synchronise (au "temps de propagation aller" près)
– il acquiert l’heure réseau (FN)
– Il décode le BSIC (et connait ainsi la séquence
d’apprentissage de 26 bits utilisée dans la cellule)
FCCH
analysis
SCH
analysis
BCCH
analysis
• Il décode le BCCH …
obtient des « info système »
… et connaitre l’opérateur (« home » ou « visited »)
• …
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39
Détection de Cellule et & BCh
La détection initiale d’une
cellule GSM fait intervenir
differents états de sync.
– Not Sync
– No FCB (qq 10 µs)
– FCB detected
• Frequency sync.
(FCB Sync)
Not Sync
SCH
analysis
B timing
analysis
FCCH
analysis
– SCH decoded (qq 1 µs)
No SCH
Slot Sync
SCH
decoded
(Slot Sync)
(SCH detec)
No FCB
FCB
detected
BCCH
analysis
No BCCH
BCCH
decoded
• RF, BSIC (avec BCC)
– BCCH decoded
• Paramètres de la cellule
• Connaissance du voisinage
LAI
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BCCH
decoded
MS may
camp on
the cell
40
Scrutation en communication
Où le mobile continue à scruter,
ce qui se passe ailleurs …,
(sans décoder !),
pour assister le système.
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41
Scrutation de voie balise
BS
serveuse
BS
voisine
Wei Tcheng, sous la dynastie des
Tang, comprenait lui aussi l'erreur
d'un examen unilatéral lorsqu'il
disait: «Qui écoute les deux côtés
aura l'esprit éclairé, qui n'écoute
qu'un côté restera dans les
ténèbres.»
[Le petit livre du président Mao]
• Préparation d’un handover (MAHO, Mobile Assisted HO)
– Un mobile qui “trafique” (i.e. en "com") scrute pendant la phase
“monitoring” d’une trame TDMA, la voie balise d’une cellule
voisine (fréquence indiquée dans le BCCH de la serveuse). Il
mesure sa puissance.
– A chaque trame, il fait une mesure de puissance sur une des
différentes voisines. Il rapatrie les mesures (après moyennage) à
la serveuse via un canal (SACCH) associé au canal de trafic.
ENST - 2005
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42
Conclusions
• La voie balise
– Elle est essentielle dans la gestion du roaming (et des HO)
– Elle est spécifique d’une cellule (phare).
– Elle utilise une porteuse “BCCH frequency”.
qui n’est pas contrôlée en puissance
(puissance max sur tous les slots : signal constant en puissance)
– Elle supporte des canaux logiques qui permettent au mobile de
se synchroniser en freq. (FCCH), en temps (SCH) et d’acquérir
des info systèmes de paramétrage local (BCCH).
– Elle est économique.
• Elle occupe relativement peu de bande :
(FCCH+SCH+BCCH) ~1/4 canal physique.
Dans une cellule typique à 4 TRx (i.e. 4 porteuses), cela correspond
à (1/4)(1/ 8 slots)(1/ 4 porteuses) = 1/128
< 1% des ressources radio (temps-fréquence).
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Ph.G. LI M, Ph. M
43
Références
• Norme GSM
– 05.02 (TS 45.002) ; 05.01 (TS 45.001)
• Le LIVRE ROUGE :
Xavier Lagrange,
Réseaux GSM
Philippe Godlewski,
Xavier Lagrange
Sami Tabbane,
Philippe Godlewski
Sami Tabbane
Réseaux GSM,
5e édition revue et augmentée,
Editeur: Hermès Sciences,
H
et en chinois, chez PHEI (Publishing
House Of Electronics Industry).
ENST - 2005
Ph.G. LI M, Ph. M
ERMES
44
• Le petit LIVRE ROUGE
MAO ZEDONG (ou MAO TSE TOUNG)
Wei Tcheng, sous la dynastie
des Tang, comprenait lui aussi
l'erreur d'un examen unilatéral
lorsqu'il disait: «Qui écoute les
deux côtés aura l'esprit éclairé,
qui n'écoute qu'un côté restera
dans les ténèbres.»
Chapitre XXII, Méthodes de pensée et de travail.
http://classiques.chez.tiscali.fr/mao/PLR5.html
ENST - 2005
Ph.G. LI M, Ph. M
45