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L’UMTS et les Technologies émergentes, Les principes de l’UMTS, L’interface radio de l’UTRAN, WCDMA, La gestion des appels, La gestion de la mobilité

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  1. 1. L’UMTS et les Technologies émergentes M. Moussaoui mohamed.moussaoui@ensat.ac.ma Ecole Nationale des sciences appliquées, Tanger Université Abdelmalek Essaadi 1
  2. 2. ECOLE NATIONALE DES SCIENCES APPLIQUEES DE TANGER Dr. M. Moussaoui UNIVERSITE Spécialité: Télécommunication ABDELMALEK ESSAADI ENSA BP : 1818 Tanger Principale – Maroc E-mail : mohamed.moussaoui@ensat.ac.ma © 2
  3. 3. L’UMTS et les réseaux de 3e génération M. Moussaoui Ecole Nationale des sciences appliquées, Tanger Université Abdelmalek Essaadi 3
  4. 4. Les origines de L’UMTS Des perspectives prometteuses Les systèmes de téléphonie cellulaire connaissent depuis quelques années un développement sans précédent dans le monde Les évolutions de la norme GSM vers les services de données type paquet ouvre le champ à des applications nouvelles Des systèmes incompatibles Des différences importantes sur le segment radio (pas d’itinérance universelle GSM IS-95 IS-136 PDC Modulation GMSK BPSK/OQPSK DQPSK OQPSK Méthodes d’accès TDMA/FDMA CDMA TDMA TDMA Bande de fréquence (MHz) 900/1800/1900 800/1900 800/1900 800/1400 Espacement porteuses 200khz 1250khz 30khz 25khz Utilisation Mondiale Continent américain, Asie Amérique du nord Japon Vers une norme commune Forte volonté de la part des opérateurs de définir un norme commune 4 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  5. 5. La place de L’UMTS dans les réseaux de 3e génération • La standardisation de la 3e génération est placée sous la responsabilité de par L’IUT (International Telecommunication Union) • L’IUT a défini le concept d’IMT-2000 ayant pour objectifs • Le support des applications multimédias • Le support de débit plus élevés (jusqu’à 2 Mbit/s) • Itinérance universelle 8 autres candidates UWC-136 IS-136 GSM GPRS UTRA/FDD IMT-SC TIA (USA) ETSI IMT-DS 3GPP CDMA UTRA/TDD 2000 IMT-TC IMT-MC Chine DECT TD-SCDMA IMT-FT CWTS IS95 3 GPP2 DECT ETSI 5 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  6. 6. L’importance de Normalisation 3GPP 3GPP2 Date de création Janvier 99 Janvier 99 Technologie UMTS CDMA2000 ETSI (Europe) TIA(USA) TTA(Corée) TTA(Corée) Organisme affilés TTC(Japon) TTC(Japon) ARIB (Japon) ARIB(Japon) TI(USA) CWTS(Chine) Type de réseau GSM-GPRS ANSI - 41 cœur Technologie du DS-W-CDMA (FDD) DS/MC-W-CDMA réseau d’accès TD-CDMA (TDD) IS-95 6 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  7. 7. La structure du 3GPP regroupement 3GPP est constitué de groupes distincts, appelés TSG (Technical Specification Groups) Le 3GP est composé de quatre TSG: 3GPP SA CN RAN T GERAN Depuis Août 2000 SA (Service and System Aspec): a pour objectif de spécifier les services usager et l’architecture générale du réseau UMTS CN (Core Network): Est en charge des protocoles du contrôle d’appel et de services supplémentaires, ainsi que l’interconnexion avec les réseaux extérieurs RAN ( Radio Access Network): a pour responsabilité » la définition des protocoles et l’architecture du réseau d’accès de l’UMTS T (Terminals): a pour objectif de définir la structure de la carte USIM, et les fonctions et les tests de conformance des terminaux UMTS GERAN (GPRS EDGE Radio Access Network) 7 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  8. 8. Les objectifs de l’UMTS Compatibilité avec les systèmes de 2e génération La transparence du réseau vis-à-vis de l’usager On retiendra deux exemples d’évolutions Micro-Cellule mises en places par les opérateurs GSM, dans le but d’augmenter la capacité d’accueil de leur réseau: Macro-Cellule Les réseaux micro-cellulaires Les réseaux microcellulaires les réseaux bi-bande GSM 900 DCS 1800 les réseaux bi-bande 8 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  9. 9. Les objectifs de l’UMTS Compatibilité avec les systèmes de 2e génération La transparence du réseau vis-à-vis de l’usager Les réseaux GSM actuellement déployés n’étant pas encore saturés, les opérateurs n’ont pas de raison particulière de précipiter leur passage vers UMTS. L’aspect des premiers réseaux UMTS déployés: Une large couverture GSM complétés par quelques îlots UMTS mis en place aux endroits de trafic dense. Îlot UMTS Couverture GSM 9 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  10. 10. Les objectifs de l’UMTS le support multimédia Le multimédia est la capacité d’accèpter (pour un terminal) ou délivrer (pour un réseau) simultanément des services de natures différentes. Exemple: voix, visiophonie, transfert de fichiers ou navigation sur le Web Réseau UMTS Serveur Passerelle Passerelle Réseau Internet RTCP RTCP Internet Transfert de messages Visiophonie Navigation Serveur Internet Interface Radio 10 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  11. 11. Les objectifs de l’UMTS Les débits supportés Les débits supportés 144 kbit/s en environnement rural extérieur 384 kbit/s en environnement urbain extérieur 2 Mbit/s indoor (mobilité réduite) 11 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  12. 12. Les objectifs de l’UMTS Les classes de services Les principales contraintes retenues pour la définition des classes de services de l’UMTS: Le délai de transfert de l’information La variation du délai de transfert des informations La tolérance aux erreurs de transmission Les quatre classes de services définies dans le cadre de l’UMTS peuvent se répartir en deux groupes: Les classes A (conversational) et B (streaming) pour les applications à contrainte temps réel Les classes C (interactive) et D (background) pour les applications de données sensibles aux erreurs de transmission 12 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  13. 13. Les objectifs de l’UMTS Les classes de services La classe A (conversational) Cette classe regroupe tous les services bidirectionnels Pour ces applications, le temps de transfert de Phonie l’information sont limités à des très faibles valeurs Visiophonie (≅100 à 200 ns). Une qualité de service acceptable en présence d’erreurs de transmission. La classe B (streaming) La classe B a pratiquement les mêmes caractéristiques que la classe A Phonie Le délai de transfert des informations peut être Images, vidéo Serveur long dans la mesure ou la variation de ce délai reste limitée. Écoute de programmes vidéo ou audio Transfert FTP ou d’images fixe 13 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  14. 14. Les objectifs de l’UMTS Les classes de services La classe C (interactive) Un usager entretien un dialogue interactif Commande avec un serveur d’application ou de données Serveur Réponse La classe C ne requiert pas de performances temps réel particulière Navigation sur Internet Transfert des fichiers par FTP Il est essentiel pour ce type d’application Transfert de messages électronique que l’information ne subisse aucune altération La classe D (backgrounde) Les caractéristique de la classe D Données sont assez proches de celles de la classe C Serveur Données Les informations transmises sont de priorités inférieures à celle de la Le transfert de fax classe C. notification de message électronique messagerie de type SMS 14 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  15. 15. Les fréquences attribuées à la 3e génération 1885 2025 2010 2200 IMT-2000 1900 1920 1980 2010 2025 2110 2170 2200MHz UMTS TDD FDD-UL satellite TDD FDD-DL satellite 160MHz supplémentaires, répartis en 3 bandes: 806-960 MHz, 1710-1885 MHz, 2500-2690 MHz FDD TDD FDD: Frequency Division Duplex (Un accès WCDMA) TDD : Time Division Duplex (Un accès TD-CDMA) Micro-Cellule Macro-Cellule 15 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  16. 16. Rappels les systèmes de 2 génération (GSM) M. Moussaoui Ecole Nationale des sciences appliquées, Tanger Université Abdelmalek Essaadi 16
  17. 17. Le réseau GSM Duplexage en fréquence (FDD : frequency division duplexing) Accès partagé en temps : TDMA 1 canal en fréquence = 1 porteuse = 1 fréquence 1 canal physique = 1 slot par trame 1 canal logique = n canaux physiques (ex n=1; n=0,5; n=4,…) canaux fréquentiels : 124c, 200kHz; 271kb/sec trames de 8 slots 17 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  18. 18. Les services du GSM 384 Kbit/s 171 Kbit/s GPRS 115 Kbit/s EDGE HSCSD 14.4 Kbit/s 9.6 Kbit/s GSM 1990 1997 2001 HSCSD: high Speed Circuit Switched (14,4 kbit/s/solt) GPRS: General Packet Radio Service (21,4 kbit/slot) EDGE: Enhanced Data Rates for GSM Evolution (43,2 kbit/slot) 18 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  19. 19. L’abonné et le Terminal GSM L’abonné et la carte SIM + Carte SIM Mobile equipment Mobile Station L’identification de L’abonné: IMSI( International Mobile Station Identity) MCC MNC MSIN De 0 à 999 De 0 à 99 De 0 à 9 999 MCC (Mobile Country Code) MNC (Mobile Network Code) MSIN (Mobile Station Identification Number) L’identification du terminal: IMEI (International Mobile Station Equipment Identitiy) TAC FAC SNR De 0 à 999 999 De 0 à 99 De 0 à 9 999 TAC (Type Approval Code) FAC (Final Assembly Code) SNR (Serail Number) 19 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  20. 20. L’architecture du réseau GSM BTS Um Packet A RNIS/RTCP network BTS BSC MSC GMSC A H EIR VLR HLR Auc BTS Firewall Data Packet Gi network Abis network Gb (Internet) Gi.IP Gn BSC SGSN GGSN Le GSM est divisé en deux parties Le réseau cœur, NSS: Network Sub-System Le réseau d’accès, BSS: Base Station Sub-System 20 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  21. 21. Le réseau d’accès GSM: BSS Base Station Sub-System Um BSS est la partie du réseau qui gère BTS • L’interface et les ressources allouées sur Abis l’interface radio • La gestion de la mobilité de l’usager: il s'agit de la BTS fonction de handover BSC BSC Motorola BSC: Base Station Controller Le BSC est l’equipement qui contrôle une ou plusieurs BTS, ces fonctions principales: Le routage de l’appel entre la BTS et le MSC L’allocation des resources utilisées sur l’interface radio Le contrôle de la BTS 21 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  22. 22. Le réseau d’accès GSM: BSS Base Station Sub-System BTS: Base Transceiver Station La BTS est l’équipement de transmission radio du réseau GSM, elle effectue différente opérations, dont: Le codage/décodage des inforamtions transmises sur ’interface radio La modulation/démodulation 22 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  23. 23. Le réseau cœur GSM: NSS Network Sub-System le réseau cœur est la partie du réseau qui gère l’ensemble des abonnés et les services fournis aux abonnés. Responsable aussi de l’établissement de la A Packet RNIS/RTCP network communication et assure la liaison entre le réseau GSM et les réseaux extérieurs. BSC MSC GMSC Le service de commutation de paquets a été introduit A tardivement dans la norme GSM et porte le nom EIR VLR HLR H Auc GPRS Firewall Il existe une symétrie entre les éléments circuits et Gi Data Packet network network paquet: Gb Gi.IP (Internet) Gn GMSC et GGSM jouent chacun un rôle de BSC SGSN GGSN passerelle vers les réseaux extérieurs MSC/VLR et SGSN entretiennent chacun une information sur la localisation de l’abonné en mode circuit et paquets 23 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  24. 24. Le réseau cœur GSM HLR: Home Location Register Le HLR est la base de données contenant les informations relatives aux abonnés gérés par l’opérateur HLR Pour chaque abonné, le HLR mémorise les informations suivantes: – Les informations de souscription – L’identité du mobile, ou IMSI – Le numéro d’appel de l’abonné, ou MSISDN Le HLR mémorise le numéro de VLR sous le quel l’abonné est enregistré 24 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  25. 25. Le réseau cœur GSM VLR: Visitor Location Register Le VLR est une base de données attachée à un ou plusieurs MSC VLR Le VLR enregistre les abonnés qui se trouvent dans une zone géographique donnée, appelée LA (location Area) Le mobile doit signaler au VLR le changement de LA LA: location Area Le VLR contient des données assez similaires à celles du HLR Le VLR mémorise pour chaque abonné les informations suivantes: – L’identité temporaire du mobile (TMSI) – La zone de localisation (LA) courante de l’abonné Dans la plupart des réseaux, le MSC et le VLR sont une seul et même équipement. 25 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  26. 26. Le réseau cœur GSM AuC: Authentification Center L’AuC est un élément permettant au réseau d’assurer certaines fonctions de sécurité du réseau GSM: • L’authentification de l’IMSI de l’abonné • Le chiffrement de la communication L’AuC est couplé au HLR et contient pour chaque abonné une clé d’identification lui permettant d’assurer les fonctions d’authentification et de chiffrement. 26 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  27. 27. Le réseau cœur GSM EIR: Equipment Identity Register L’EIR est un équipement optionnel des réseaux GSM destiné à lutter contre le vol des terminaux mobiles L’EIR une base de données contenant la liste des mobiles interdits, appelée black list. EIR Black Black Liste Liste NSS BSS Identité du terminal: IMEI 27 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  28. 28. Le réseau cœur GSM MSC: Mobile-Services Switching Center • Le MSC est un commutateur de données et de signalisation, il est chargé de gérer l’établissement de la communication avec le mobile • Le GMSC est un MSC un peu particulier servant de passerelle entre le réseau GSM et le RTCP • dans le cas d’un appel entrant, l’appel passe par le GMSC, qui effectue une interrogation du HLR avant de router l’appel vers le MSC dont dépend l’abonné. GSM BSS Um VLR Packet A RNIS/RTCP network BTS Abis BSC MSC GMSC BTS EIR VLR HLR Auc 28 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  29. 29. Le réseau cœur GSM SGSN: Serving GPRS Support Node • Le SGSN joue le même rôle que le VLR pour la partie GPRS du réseau, c-à-d la localisation de l’abonné sur une RA (routing area). • Le SGSN effectue une allocation d’identié temporaire: le P-TMSI (Packet-TMSI) • Le GGSN joue le role de passerelle vers les réseaux à commutation de paquets extérieurs EIR HLR Auc GSM BSS Firewall Data Packet Um Gb network network BTS Abis (Internet) Gi.IP Gn BSC SGSN GGSN BTS 29 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  30. 30. La gestion des appels La partie GSM-circuit du réseau cœur utilise un protocole de signalisation: MAP (Mobile Application Part) Basée sur des couches de transport héritées des réseaux fixes SS7( Signalling System n° MTP, SCCP, 7): TCAP Paquet IP Le GPRS utilise deux tunnels de communication: Dest Source Le premier tunnel est utilisé pour transférer les données usager du terminal au SGSN Le second tunnel sert à transférer les données Encapsulation GTP GGSN usager du SGSN au GGSN, point d’accès au réseau IP En-tete GTP Dest Source Le protocole GTP (GPRS Tunnelling Protocol) est basé sur un transport UDP(TCP) sur IP Décapsulation Encapsulation SNDCP SGSN En-tete SNDCP Dest Source Décapsulation 30 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  31. 31. La gestion de la mobilité la mobilité en mode veille • Le mobile est en veille: sous tension mais non engagé VLR dans une communication • Le mobile doit choisir une seule cellule de référence la ‘’Location Area Update’’ MSC plus apte à fournir un service à l’abonné en cas de besoin Le cas du GSM- circuit LA- 2 LA- Le changement de cellules ne sont pas signalés au réseau. Tout changement de zone localisation LA doit être indiqué au réseau par le biais d’une procédure appelée: location update. Cette inforamtion est détenue par le MSC/VLR LA - 1 31 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  32. 32. La gestion de la mobilité la mobilité en mode veille VLR SGSN MSC ‘’Roting Area Update’’ Le cas du GPRS ‘’Location Area Update’’ LA- 2 LA- Principes similaires du GSM-Circuit L’équivalent GPRS de la LA est la RA: routing Area Le SGSN tenant le role du MSC/VLR dans la gestion de la mobilité RA- 2 RA- RA- 1 RA- LA - 1 32 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  33. 33. La gestion de la mobilité la mobilité en mode actif GMSC • Le mode actif correspond à une phase durant laquelle le mobile échange des MSC 1 MSC 2 données utilisateur avec le réseau Le cas du GSM- circuit BSS1 BSS1 LA- 2 LA- la mobilité du terminal est entièrement contrôlée par le réseau GSM a défini un point d’ancrage dans le réseau qui invariant pendant la durée de la communication Le cas du GPRS La mobilité du terminal est gérée soit par le réseau au le terminal Après La gestion de mobilité peu efficace: absence de Avant point d’ancrage de l’architecture GPRS LA - 1 Avant: correspondance IMSI-LA 1 Après: correspondance IMSI-LA 2 IMSI 33 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  34. 34. Les principes de l’UMTS M. Moussaoui Ecole Nationale des sciences appliquées, Tanger Université Abdelmalek Essaadi 34
  35. 35. Les concepts de base Notions nouvelles par rapport à la norme GSM – Les services supportés: supporter la grande variété de services pressentis pour les réseaux sans fil – L’indépendance de la couche d’accès radio: une architecture et un découpage fonctionnel plus ouvert, en séparant les fonctions liées à la technologie d’accès de celle qui ne dépendent pas du mode L’UMTS est composé de: ---- Réseau d’accès: AN (Access Network) ---- Réseau cœur: CN ( Core Network) Réseau Cœur Iu Iu: l’interface entre le CN et AN capable de connecter de technologies différentes au réseau cœur comme: BRAN SRAN UTRAN ---- Le BRAN: Bradband Radio Access Network), Réseau d’accès réseau d’accès large bande WLAN ---- Le SRAN: Satellite Radio Access Network ---- L’UTRAN: le réseau d’accès de l’UMTS d 35 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  36. 36. Les concepts de base le découpage en strates Le découpage en strates (niveaux) permet de séparer des niveaux de services indépendants dans le réseau UMTS Le réseaux UMTS est constitué de deux niveaux: AS: Access Stratum Non access Stratum NAS: Non Acces Stratum Access Stratum: Protocoles Iu Protocoles Iu Protocoles Iu Regroupe toutes les fonctions liées au réseau d’accès Protocoles Les fonctions de gestion des ressources radio radio L’UTRAN entièrement inclus dans l’AS L’AS comprend une partie de l’équipement mobile, Ainsi une partie du réseau cœur (l’interface Iu) mobile UTRAN CN Non Access Stratum Radio (Uu) Iu NAS regroupe toutes les autres fonctions du réseau UMTS comme: Les fonctions d’établissement d’appel: CC (call control) pour les appels circuit, et SM (session mangement) pour les appels paquet. Les fonctions de gestion de la mobilité en mode veille 36 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  37. 37. Les concepts de base le découpage en strates Access stratum Non Access Stratum Gestion de la signalisation d’appel x Authentification X Fonction de handover X Gestion des services suplémentaire x Gestion des ressources radio X Chiffrement X (X) Compression X (X) Mécanisme de facturation X 37 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  38. 38. Les concepts de base La notion de RAB La seule vision qu’a le NAS du canal de communication utilisé est le RAB (Radio Access Bearer) Dans l’AS, le RAB est décomposé en deux parties: Le radio bearer, correspondant au segment « interface radio » du RAB; L’Iu bearer, correspondant au segment « interface Iu » du RAB Le NAS ne connaît pas les caractéristique du RAB Le RAB est caractérisé que par attributs de qualité de service, négociés entre l’usager et le réseau cœur Réseau d’accès Mobile Réseau coeur Radio Access Bearer Radio Bearer Iu Bearer 38 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  39. 39. Les concepts de base Les attributs du RAB • Dans la norme UMTS, le RAB est caractérisé par les attributs suivants: – Classe de service – Débit maximal – Débit garanti – Taille des SDU – Taux de SDU erronnées – Taux d’erreur résideul – Délai de transfert – Priorité • En fonction de la valeur des ces différents attributs, l’UTRAN doit être en mesure d’effectuer des opérations suivantes: – Le choix d’un codage canal – Le dimensionnement des ressources radio associée au RAB – L’allocation du radio bearer er l’Iu bearer – La configuration des protocoles radio, en fonction des caractéristiques des SDU qui seront échangées sur le RAB 39 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  40. 40. L’architecture de l’UMTS GSM BSS VLR A Packet RNIS/RTCP network BTS Abis Um BSC MSC GMSC TC BTS Gb EIR HLR Auc Uu UTRAN Firewall Iub Data Packet NODE B Iu network network (Internet) Gi.IP RNC Iu PS Gn UE (USIM) SGSN GGSN Iur USIM & SIM NODE B UMTS/GSM Terminals Iu Iub NODE B RNC GSM Phase 2+ Core Network 40 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  41. 41. Réseau cœur Eléments communs • La notion de domaine AuC – Le CS (Circuit Switched) domain – Le PS (Packet Switched) domain GMSC HLR GGSN • Les éléments du réseau cœur – CS domain: MSC, GMSC, VLR VLR – PS domain: SGSN GGSN EIR – Eléments communs: HLR, EIR, AuC MSC SGSN CS domain PS domain 41 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  42. 42. Réseau Cœur Intégré Domaines séparés Réseau Cœur intégré Etat Etat Etat Etat MSC/VLR SGSN UMSC CS PS CS PS Interface Iu 2 Connexions UTRAN UTRAN Interface Radio 1 Connexion RRC Etat Etat Etat Etat UE UE CS PS CS PS Le gain apporté par le réseau cœur intégré: Les temps de traitement des procédures de mise à jour de zone localisation sont réduits Les coûts de la maintenance du réseau sont diminués 42 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  43. 43. Les fonctions déplacées les protocoles de niveau 2 • Le but: Préserver l’indépendance 2G-GSM 3G-UMTS du réseau cœur par rapport à la technologie d’accès Réseau cœur GGSN GGSN • Certain nombre de fonctions propres au niveau 2 de l’interface 2G-SGSN Détection d’erreur radio intégrées dans le SGSN des Acquittement réseaux 2G, ont été déplacées vers 2G-SGSN RNC Retransmission le réseau d’accès de l’UMTS: Encryption Compression d’en-tete IP BSC – LLC: détection d’erreurs, retransmission et acquittement de trames, chiffrement BTS NodeB Réseau d’accès – SNDCP: compression d’en-tête IP de la pile GPRS 43 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  44. 44. Les fonctions déplacées la fonction de transcodage 2G-GSM 3G-UMTS • Dans l’UMTS, le transcodeur est situé Réseau cœur dans le réseau cœur MSC MSC TRAU • Le service de téléphonie n’est plus un Interface A Interface Iu cas particulier TRAU • L’UTRAN ne connaît que le RAB BSC RNC Réseau d’accès BTS NodeB TRAU: Transcoder and Rate Adaptation Unit 44 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  45. 45. Réseau d’accès UTRAN Réseau coeur CS demain PS demain Iu Iur Réseau d’accès RNC RNC NodeB NodeB NodeB Iub NodeB Uu 45 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  46. 46. RNC (Radio Network Controler) Serving RNC Drift/controling RNC Iur • Une nouvelle interface Iur RNC • Les fonctions nouvelles du RNC: RNC La procédure de relocation Connexion RRC NodeB La gestion de macrodiversité 46 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  47. 47. NodeB • le rôle principale de NodeB est d’assurer les fonctions de réception et transmission radio • Il est possible de concevoir des NodeB comportant une ou plusieurs cellules • On utilise des antennes omnidirectionnelles ou sectorielles 47 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  48. 48. Les interfaces du réseau d’accès • Les interfaces de l’UTRAN: – Iu entre le RNC et le réseau cœur – Iub entre le RNC et les nodeB CN – Iur entre RNC RANAP Iu-FP • Chaque interface supporte deux types RNSAP de protocoles: RNC RNC Iur-FP Iub-FP – Protocoles AP(Application Protocol): NBAP échanges de signalisation entre les équipements – Protocoles FP(Frame Protocol): NodeB utilisés pour transporter les données usager 48 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  49. 49. La carte USIM Universal Subscriber Identity Module • La carte USIM contient toutes les données relatives à l’abonné parmi les quelles: – L’IMSI – Le MSISDN – La langue préférée – Les clés de chiffrement – La liste des réseaux interdits – Les identités temporaires de l’usager TMSI et P-TMSI – LA et RA • Les conditions d’accès: – ALW (always): l’information est accessible sans restriction – PIN: l’information n’est accessible qu’une fois le PIN de l’usager est vérifié – ADM: seul le founisseur de la carte peut accéder à l’information – NEV: l’information n’est pas accessible 49 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  50. 50. L’interface radio de l’UTRAN M. Moussaoui Ecole Nationale des sciences appliquées, Tanger Université Abdelmalek Essaadi 50
  51. 51. Les techniques de multiplexage sur la voix radio FDD: Uplink 1920 MHz - 1980 MHz; Puissance temps Downlink 2110 MHz - 2170 MHz. Bande passante: chaque fréquence porteuse est Usager 2 située dans le centre d’une bande de 5MHz Usager 1 Tx-Rx écart duplex : Valeur nominale 190 MHz. Cette valeur peut etre fixe ou variable Fréquence (minimum 134.8 et maximum 245.2 MHz). Écart duplex: 190Mhz TDD: Puissance temps Les transmissions Uplink et Downlink partagent la même fréquence Usager 2 UP/DWL: 1900-1920 MHz et 2010-2025 MHz. Usager 1 Fréquence Le mode FDD est mieux adaptés pour les macro cellules Le mode TDD est mieux adaptés pour les applications de débit asymétrique 51 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  52. 52. L’interface Radio L’architecture radio RRC PDCP • Le niveau 1 (PHY): la couche physique PDCP • Le niveau 2: PDCP, RLC, MAC, BMC BMC • Niveau 3: la couche RRC RLC RLC RLC RLC RLC RLC RLC RLC MAC PHY 52 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  53. 53. L’architecture radio Niveau 1: La couche physique réalise les RRC fonctions de : PDCP codage canal PDCP entrelacement BMC modulation RLC RLC RLC RLC RLC RLC RLC RLC MAC PHY 53 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  54. 54. L’architecture radio • Niveau 2: PDCP, RLC, MAC, BMC • RLC: assure le transport fiable des données entre deux équipements du réseau RRC • MAC: remplit la fonction de multiplexage des PDCP données sur les canaux de transport radio: PDCP – Multiplexage de différents flux de données d’un BMC même utilisateur sur un canal de transport unique – Multiplexage de flux de données d’utilisateurs RLC RLC différents sur un canal de transport commun RLC RLC RLC RLC RLC RLC • PDCP: à deux fonctions: – Assure l’indépendance des protocoles radio de l’UTRAN par rapport aux couches de transport réseau MAC – Le support d’alogorithmes de compression de données ou d’en-tetes de paquets de données PHY • BMC: assure les fonctions de diffusion de messages sur l’interface radio 54 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  55. 55. Plan de contrôle et plan usager • L’UMTS sépare en deux plans le flux de données qui transitent par l’interface radio Plan de contrôle Plan usager IP Voix SMS… CM MM SM GMM • Le plan usager: regroupe l’ensemble de données qui sont échangées au niveau NAS Réseau coeur • Le plan de contrôle: utilisé pour véhiculer RRC Iu l’ensemble de la signalisation entre le mobile et le réseau – La signalisation AS: fonctions de l’UTRAN UTRAN d’établissement de connexion RRC Uu – La signalisation NAS: qui correspond aux couches de protocoles MM, CM, GMM, SM assurant les fonctions d’établissement et de Terminal gestion d’appel Signalisation Données usager 55 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  56. 56. Plan de contrôle et plan usager Plan de contrôle Plan usager RRC La couche RRC fait partie intégrante du plan de contrôle PDCP PDCP les couche PDCP et BMC s’appliquent seulement aux données du plan usager Les couches RLC et MAC fournissent des services qui RLC s’appliquent à la fois au plan de contrôle et au plan usager MAC PHY 56 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  57. 57. Les canaux RRC PDCP PDCP BMC RLC RLC RLC RLC RLC RLC RLC RLC Canaux logiques MAC Canaux de transport PHY Canaux physique 57 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  58. 58. Les canaux les canaux logiques Plan de contrôle Plan usager Canaux BCCH PCCH DCCH CCCH CTCH DTCH Logiques Les canaux logiques de contrôle BCCH(Broadcast Control Channel): utilisé pour la diffusion d’informations de contrôle (system information). Fourni au mobile en veille des informations lui permettant d’accéder au réseau PCCH(Paging Control Channel): employé pour l’envoi des messages de paging aux mobiles du réseaux CCCH(Common Control Channel): utilisé pour envoyer ou recevoir des informations de contrôle de mobiles n’étant pas connectés au réseau DCCH(Dedicated Control Channel): sert à envoyer ou à recevoir des informations de contrôle d’un mobile connecté au réseau 58 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  59. 59. Les canaux les canaux logiques Plan de contrôle Plan usager BCCH PCCH DCCH CCCH CTCH DTCH Les canaux logiques de trafic DTCH (Dedicated Traffic Channel): sert à échanger des données usager avec un mobile connecté au réseau. CTCH(Common Trafic Channel): est un canal unidirectionnel utilisé par le réseau pour envoyer des données usager à un ensemble de mobiles (notament service area broadcast) 59 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  60. 60. Les canaux les canaux de transport Les canaux de Transport représentent le format et la manière dont les informations sont transmises sur Canal de Transport l’interface radio Le canal de Transport est représentatif de la qualité de service (radio bearer) Pour chaque canal de transport, l’UTRAN associe une liste d’attributs TFS (Transport Format Set) destiné à représenter Transport le format et la manière dont les informations sont transmises Format sur l’interface radio Transport Format Set Partie Partie dynamique statique 60 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  61. 61. Les canaux les canaux de transport Canal de Transport TFS ( Transport format set ): Une liste de différents TF. Chaque liste de TF est utilisé pour l’UTRAN pour choisir à chaque instant le format le mieux adapté Transport Format TF( Transport Format ): Transport Format Set Partie dynamique: spécifique à chaque transport format Transport format size Partie Partie dynamique statique Transport block size Transport Block Size Partie statique : commune à tous les TF Transport Block Transport TTI: Transmission Time Interval Block Set Transport Block Transport Block size le type de codage de canal Transport Block Transport Block la taille de CRC Le rendement du codage canal TTI 61 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  62. 62. Les canaux les canaux de transport Canaux de BCH PCH RACH FACH DSCH DCH Transport Les Canaux de Transport Dédiés DCH (Dedicated Channel): Seul canal dédié, utilisé dans le sens montant ou descendant Les Canaux de Transport communs BCH (Broadcast Channel): un canal de transport unidirectionnel (réseau vers mobile) et à débit fixe PCH (Paging Channel): un canal de transport unidirectionnel (réseau vers mobile) RACH (Random Access Channel): un canal de transport unidirectionnel (mobile vers réseau) FACH(Forward Access Channel): un canal de transport unidirectionnel (réseau vers mobile) DSCH (Dowlink Shared Channel): une variante du FACH, unidirectionel (réseau vers mobile) 62 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  63. 63. Les canaux les canaux physiques Il est possible qu’un canal physique supporte différents canaux de transport ou qu’un canal de transport soit supporté par deux canaux physiques distincts CCTrCH (Coded Composite Transport Channel): une notion intermédiaire, est le résultat du multiplexage de différents canaux de transport, peut ensuite supporté par un ou plusieurs canaux physiques sur l’interface. Canal physique 1 Canal de Transport 1 Canal physique 1 CCTrCH Canal de Transport 2 Canal de Transport 3 63 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  64. 64. Les canaux les canaux physiques Canaux de P-CCPCH S-CCPCH PRACH PDSCH DPDCH Physiques L’UTRAN a défini plusieurs canaux de transport. Seuls les canaux suivants ont la possibilité de supporter des canaux de transport: P-CCPCH: Primary Common Control Physical Cannel S-CCPCH: Secondary Common Control Physical Channel PRACH: Physical Random Access Channel PDSCH: Physical Dowlink Shared Channel DPDCH: Dedicated Physical Data Channel 64 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  65. 65. Les canaux les canaux physiques Transport Channels Physical Channels DCH Dedicated Physical Data Channel (DPDCH) Dedicated Physical Control Channel (DPCCH) RACH Physical Random Access Channel (PRACH) CPCH Physical Common Packet Channel (PCPCH) Common Pilot Channel (CPICH) BCH Primary Common Control Physical Channel (P-CCPCH) FACH Secondary Common Control Physical Channel (S-CCPCH) PCH Synchronisation Channel (SCH) DSCH Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) Acquisition Indicator Channel (AICH) Access Preamble Acquisition Indicator Channel (AP-AICH) Paging Indicator Channel (PICH) CPCH Status Indicator Channel (CSICH) Collision-Detection/Channel-Assignment Indicator Channel (CD/CA-ICH) Figure: Transport-channel to physical-channel mapping Source 3GPP: TS 25211 65 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  66. 66. Les canaux la correspondance entre les canaux Plan de contrôle Plan usager Canaux BCCH PCCH DCCH CCCH CTCH DTCH Logiques BCH PCH RACH FACH DSCH DCH Canaux de Transport Canaux de P-CCPCH S-CCPCH PRACH PDSCH DPDCH Physiques 66 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  67. 67. Les canaux Exemple de la voix Qualité subjectif Voix numérisée loi A/µ:64/s de la phonie Transcodeur (codage source) 4 à 12 kbit/s Niveau 1 (codage canal) Transmission sur l’interface radio Plage du mode 1 Plage du mode 2 C/I La trame de phonie AMR (Adaptative Multi-Rate): AMR (Adaptative Multi-Rate): Lorsque les conditions de transmission sont bons, la Lorsque les conditions de transmission sont bons, la Part du codage du canal part du codage canal peut etre réduite au bénéfice du part du codage canal peut etre réduite au bénéfice du codage source: privilégier la qualité de phonie codage source: privilégier la qualité de phonie Lorsque les conditions se dégradent, ililest alors Lorsque les conditions se dégradent, est alors nécessaire de mieux protéger les données transmises. nécessaire de mieux protéger les données transmises. 67 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  68. 68. Les canaux Exemple de la voix Ensemble des modes AMR définis pour l’UMTS: Mode AMR Débit source Classe A Classe B Classe C Amr 12-2k 12.2Kb/s 81 103 60 Amr 10-2k 10.2Kb/s 65 99 40 Amr 7-95k 7.95Kb/s 75 84 0 Amr 7-40k 7.40Kb/s 61 87 0 Amr 6-70k 6.70Kb/s 55 79 0 Amr 5-90k 5.90Kb/s 55 63 0 Amr 5-15k 5.15Kb/s 49 54 0 Amr 4-75k 4.75Kb/s 39 56 0 68 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  69. 69. Les canaux Exemple de la voix Exemple de configuration des canaux de transport DTCH( A) DTCH (B) DTCH (C) 3XDCCH Débit 12.2kb/s 12.2kb/s 12.2kb/s 3.4kb/S Transport block 81 103 60 148 set 20 20 20 20 40 CRC 12 0 0 16 Codage canal Code convolutif 1/3 Code convolutif 1/3 Code convolutif 1/3 Code convolutif 1/3 69 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  70. 70. Les canaux DCCH Exemple de la voix Transport block TB 1 TB 2 2 TB TB 3 TB 1 4 Ajout du CRC 81 TB 1 CRC 103 60 CRC 148 TB 1 CRC Ajout des bits de TB 193 8 103 8 60 8 TB 1 164 8 traînée Codage canal 303 333 136 516 Adaptation de 294 324 128 548 débit 1er Entrelacement 294 324 128 548 1a 1b 2a 2b 3a 3b 4a 4b 4c 4d segmentation 147 147 162 162 64 64 137 137 137 137 Multiplexage 147 162 64 137 147 162 64 137 des canaux de transport 2e entrelacement Trame i Trame i+1 10ms 10ms 70 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  71. 71. Les protocoles radio la couche RRC La connexion RRC • La fonction principale de la couche RRC (Radio Resource Control) est la gestion de la connexion de signalisation entre le mobile et l’UTRAN CS domain MSC 1 connexion RRC mobile-SRNC Flux 1 NodeB RNC Flux 2 PS domain SGSN 71 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  72. 72. Les protocoles radio la couche RRC Les états de la connexion RRC Cell-PCH URA-PCH Mobile Cell-DCH Cell-FACH connecté Idle Mobile non connecté 72 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  73. 73. Les protocoles radio la couche RRC Exemple: navigation sur le Web Débit Chargement Chargement d’une page d’une page temps CELL_DCH CELL_FACH CELL_DCH 73 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  74. 74. La couche physique de l’interface radio M. Moussaoui Ecole Nationale des sciences appliquées, Tanger Université Abdelmalek Essaadi 74
  75. 75. La couche physique de l’interface radio Les principes généraux du CDMA 75 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  76. 76. Les techniques d’accès multiple Fréquence Fréquence temps FDMA Usager Usager Usager temps Fréquence 1 2 3 Code Usager 1 Fréquence Usager 2 Usager 1 C1 Usager 3 Usager 2 C2 Usager 3 C3 temps temps TDMA CDMA 76 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  77. 77. L’étalement de spectre +1 +1 −1 −1 +1 −1 T = NT c 77 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  78. 78. Les propriétés de corrélation Les fonctions de corrélation et d’intercorrélation mesurent le degré de différence entre deux signaux Dans un système CDMA: la fonction d’autocorrélation Rs(i) est maximale à τ=0 et faible ou négative lorsque i est différent de 0 l’intercorrélation est faible ou négative, voir nulle N −1 Exemple: S=(0111001), T=(1101001) RS ,T (τ ) = ∑ S (n )T (n + τ ) n =0 RS , S (i ) RS ,T (i ) 7 3 7 -1 7 i -5 78 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  79. 79. Les codes d’étalement 1. Codes de canal (channalization code) – séparer les différentes applications issues d’une même source Uplink : le canal de données et de Channalization Code Scrambling Code contrôle pour un utilisateur Downlink: les connections de données différents utilisateurs dans une cellule Débit Chip Débit Chip 2. Codes de brouillage (Scrambling Codes) Uplink: Séparation des terminaux Downlink: Séparation des secteurs 79 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  80. 80. Voie montante (Uplink) • Structure de la trame I: data channel données DPDCH Q: sync & control Symboles pilotes TFI FBI TPC DPCCH Slot=0.667ms 2560 chips Slot 1 Slot 2 Slot 3 …. Slot i … Slot 1 Slot 14 Slot 15 • Etalement et modulation CD ω cos(ωt) I C scramb Réel DPCCH p(t) I+jQ ω sin(ωt) DPDCH *j Imag p(t) Q Cc 80 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  81. 81. Voie descendante (DOWNLINK) • Structure de la trame TF1 données TPC données Symboles pilotes Slot=0.667ms 2560 chips Slot 1 Slot 2 Slot 3 …. Slot i … Slot 1 Slot 14 Slot 15 Trame 10 ms • Étalement et modulation cos(ωt) I p(t) DPDCH/DPCCH S/P Cc C scramb ω sin(ωt) Q p(t) 81 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  82. 82. Codes de canal OVSF: Orhogonal Variable Spreading Factor C ch,4,0 = (1 ,1 ,1 ,1 ) C ch,2,0 = (1 ,1 ) C ch,4,1 = (1 ,1 ,-1 ,-1 ) C ch,1 ,0 = (1 ) C ch,4,2 = (1 ,-1 ,1 ,-1 ) C ch,2,1 = (1 ,-1 ) C ch,4,3 = (1 ,-1 ,-1 ,1 ) SF = 1 SF = 2 SF = 4 Figure : Code-tree for generation of Orthogonal Variable Spreading Factor (OVSF) codes Source 3GPP TS25.213 Tbit N chip débit chip SF = = = Débit chip est fixé à 2.84 Mcps Tchip N bit débit bit grand débit ==== petit SF 82 petit débit ===== grand SF Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  83. 83. Codes de brouillage Le générateur est composé de 25 registres à décalage clong,1,n MSB LSB clong,2,n Figure : Configuration of uplink scrambling sequence generator ( source 3GPP TS 25.213 ) 83 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  84. 84. L’utilisation des codes dans l’UTRAN Les propriétés d’intercorrélation entre les séquences OVSF ne sont garanties que lorsqu’elles sont synchronisées C C 8, 2 Voie descendante : chaque cellule utilise un code C 8 , 2 C 8 , 3 8 ,1 de brouillage propre, garantissant l’indépendance C 4 ,1 entre les cellules différentes Voie descendante : le réseau alloue à chaque C s1 C s2 mobile un code de brouillage Cs particulier. C C 8, 2 C 8, 2 C 8 , 3 C8,1 s1 Cs3 C s3 Cs2 Cs2 C 4 ,1 C s4 84 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  85. 85. WCDMA 85 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  86. 86. Paramètres de WCDMA Paramètres 3GPP WCDMA Carier spacing 5MHz. (nominal) Chip rate 3.84 Mchip/s Roll off factor for chip shaping 0.22 Frame length 10ms Number of slots/ frame 15 modulation QPSK Coherent Detection Pilot Symbols/ channel Multirate Variable spreading and multicode Spreading factors 4-256 Power control Open and fast colsed loop (1.5 Khz) Handover Soft Handover, interfrequency Handover 86 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  87. 87. Le canal radio-mobile à 2 GHz CDMA asynchrone( Up-link) Multi-Utilisateurs Effets de canal Fading Multi-trajet Interférences d’accès multiple 87 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  88. 88. Le canal radio mobile à 2 GHz Canaux de L’ETSI Indoor (intra-batiment) Pedestrian(piéton) Vehicular (à grande vitesse) Indoor A Pedestrian B Vehicular B ∆τ = 310ns 3700ns 2000ns 1.2 Tc 14 Tc 4.8 Ts 88 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  89. 89. Le récepteur Rake 89 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  90. 90. La gestion des appels Cours 3G M. Moussaoui ENSA, Tanger 90
  91. 91. La Mise sous tension Dés sa mise sous tension, le mobile effectue un certain nombre d’opérations destinées à sélectionner un réseau et une cellule d’accueil Ces opérations sont regroupées en trois processus dans le mobile: La sélection de PLMN (Public Land Mobile Network) La sélection de cellule L’inscription au réseau 91 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  92. 92. La notion de PLMN PLMN: un réseau de télécommunication constitué d’un réseau cœur et d’un réseau d’accès, installé et géré par un opérateur Chaque PLMN dispose d’une identité, composée de deux champs: MCC (Mobile Country code) est le code du pays du PLMN MNC (Mobile Network Code) permet de différencier les PLMN d’un même pays Ces deux champs font partie intégrante de l’IMSI MCC MNC De 0 à 999 De 0 à 99 L’identité du PLMN 92 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  93. 93. La notion de PLMN équivalents L’évolution du rôle de l’opérateur Dans les réseaux GSM, le fournisseur de services est également possesseur et opérateur de l’infrastructure du réseau Opérateur 1 Opérateur 2 Infrastructure A Infrastructure B Difficile l’existence de tout autre modèle économique Les prix extrêmement élevés atteints par certaines licences de réseau de 3eme ont contribué à créer des rapprochements entre opérateurs. L’émergence d’un nouveau type d’opérateurs: les MVNO 93 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  94. 94. La notion de PLMN équivalents L’évolution du rôle de l’opérateur Un peu de vocabulaire Les MVNO (Mobile Virtual Network Operators), ou opérateurs mobiles virtuels Les MVNO proposent une offre de service en association avec un opérateur de réseau qui possède la licence d’exploitation du spectre radio Un MVNO peut posséder un partie plus ou moins étendue de l’infrastructure Par exemple le réseau cœur, une partie du réseau d’accès ou uniquement le HLR Au minimum, un MVNO doit détenir la carte SIM/USIM de se abonnés 94 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  95. 95. La notion de PLMN équivalents Une infrastructure partagée entre plusieurs fournisseurs de services Il existe au moins 3 cas de figure dans lesquels des fournisseurs de services peuvent être amenés à partager l’utilisation d’une infrastructure de réseau 1- deux opérateurs UMTS disposent chacun d’une licence UMTS décident de partager l’infrastructure du réseau d’accès 2- deux opérateurs GSM décident d’exploiter conjointement une licence UMTS 3- deux MVNO proposent des services concurrents, basés sur une infrastructure gérée par un troisième acteur Opérateur 1 Opérateur 2 Infrastructure A 95 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger
  96. 96. La notion de PLMN équivalents Deux réseaux distincts gérés par unique opérateur Il peut arriver qu’un opérateur GSM ayant acquis une licence UMTS, soit obligé d’utiliser des identités de PLMN différents Les deux réseaux d’accès de l’opérateur sont considérés comme deux réseaux distincts par les mobiles en mode veille Opérateur 1 Infrastructure Infrastructure A A 96 Mohamed Moussaoui, ENSA, Tanger

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