Réseaux mobiles et réseaux sans fil

Khaldoun Al Aghaalagha@lri.fr

Introduction

Les grandes directions

• Télécom– Le réseau téléphonique

– Le RNIS

– Le multimédia

• Informatique– L ’interconnexion d ’ordinateurs

– L ’interconnexion de réseaux (Inter Net)

– L ’Internet

– La parole et la vidéo

• Câblo-opérateur– La vidéo de type télévision

– Intégration canaux téléphoniques et accès à Internet

La convergenceLa convergence

1994 1996 1998 2000 20020

200

400

600

800

1,000

(million

s)

Voix sur réseau Fixe

Voix sur réseauMobile

Internet

Applicationscommuneset portails

multi-accès

Internet Mobile Internet Fixe

Applicationshaut débit

La convergence des applications

Toujours connectéet disponible

+ Localisation

Peut-il y avoir des applications communes?

Réseaux de mobiles

Introduction

• Sans fil et mobile

Système Sans fil Mobile

GSM x x

IS95 x x

UMTS x x

TCP/IP - -

IP-mobile - x

ATM - -

DECT (sans cordon) x -

Appel sur fixe

Switch

PSTN

Décrocher

Tonalité

Numéro

Indication de sonneriesIndication d’appel

Décrocher

Conversation

Arrêt de sonneries

Architecture cellulaire

Localisation

Paging

Appel sur mobile

System information

Indication d’appel

Appelant BS BSSwitch AppeléSystem information

Requête de service

Requête de service

Indication d’appelRequête de paging

Requête de paging

Diffusion paging Diffusion paging

Réponse de pagingRéponse

Allouer ch.102 Allouer ch.12 Se régler sur 102

Se régler sur 12

Sonnerie

Réponse Réponse Arrêter sonnerie

Arrêter sonnerie Conversation

Méthode d’accès

temps

fréquence

code

TDMA

temps

fréquence

code

FDMA

tempsfréquence

code

CDMA

Un bitUn

chipTb Tb

Tc

Bit rate:

bTR 1

Chip rate:

cTW 1

Processing Gain :

CDMA

RWG

Un bitUn

chip

Mobilité et débit

UMTS

IEEE 802.16

DECT

Mobilité

GSM

satellite

10kb/s 500k/s 10Mb/s 150Mb/s

Global

Cellulaire

Intérieur

2Mb/s

4ème génération

IEEE 802.11

IEEE 802.15

IEEE 802.20

UMTS

GSM-GPRS-EDGE

GSM

• CEPT : création du standard GSM (Groupe Spécial Mobile)

• Système analogique : 5 interfaces radios différentes

• But : roaming international, services indépendants du réseau utilisé– un seul tél en Europe

• 1987 : – une seule interface radio : Hybride Fréquence/Temps

– infrastructure basée sur le SS7 (Signaling System Number 7)

• 1990 : ETSI => memorandum of understanding concernant les services commerciaux et les arrangements entre opérateurs

GSM

GSM

......

......

BTS

BTS

Um

Um

BSC

Abis

Abis

Base Station System

SIM

SIM

MSC

A

Trame

0 1 2 7 0 1 2 7 0 1 2 7

f

t

1 slot = 156,25 bits = 577 s 1 trame = 1250 bits = 4,6 ms

DO

WN

UP

200 kHz

45MHz

1.73 ms

Chiffrement

RAND128 bits

Kiup to 128 bits

A3, A8

SRES32 bits

Kc64 bits

Frame number 22 bits

A5

Encryptionmask

114 bits

Data114 bits

Ciphereddata

114 bits

GPRS

• General Packet Radio Service– mode paquet

• Objectifs– support pour un bursty trafic– utilisation efficace des ressources radio– accès temps rapide (0.5 à 1 sec)– connectivité sur INTERNET– coexistence avec GSM (parole)

Trafic WEB

GSN

• Deux nœuds : – SGSN : Serving GPRS Support Node

• connection avec la station de base (relais de trame), semblable au MSC

– GGSN : Gateway GPRS Support Node• connection avec les réseaux de type paquet « INTERNET »

– Encapsulation des paquets avec le protocole GPRS (tunneling)

– Sécurité : assurée par le SGSN, comme dans GSM

Architecture

Exemple de routage

Fonctionnement

• Terminal : A, B ou C• TBF : Temporary Block Flow • TFI : Temporary Flow Identity • PDP : Packet Data Protocol

– Adresse IP

• 3 classes de service : haute, normale et basse

Interface radio

GSM et GPRS

GSM = 1 slot = 9,6 ou 11 ou 14 Kbit/s

GPRS = X + Y

Par exemple 4 + 1 pour un total de 53 + 2 pour un total de 44 + 4 pour un total de 5

GSM = n slot à 9,6, 11, ou 14 Kbit/s

EDGE

• Enhanced Data rate for GSM Evolution

• État de la liaison

• Adaptation du lien

• Modulation 8-PSK (3 fois plus que GSM)

8-PSK

i

Ap

000

001010

011

100

101

110

111

Méthode de GRAY

Par rapport à GSM

• Débit physique par slot : 69 Kb/s• Canal de trafic : E-TCH• MCS : Modulation and Codage Scheme

UMTS

Evolutions des technologies

GSM

PDC

IS-136

IS-95

IS-41GSM-MAP

3G 2G

E-GPRS

W-CDMA cdma2000

UWC-136

UTRA

UMTS/IMT2000

Architecture

UserEquipment UTRAN Core

NetworkUu Iu

Architecture

RNS

RNC

RNS

RNC

CN

Node B Node B Node B Node B

IuCS IuPS

Iur

Iubis

USIM

ME

MS

Cu

Uu

MSCSGSN

Gs

GGSNGMSC

GnHLR

Gr

GcC

D

E

AuCH

EIR

F Gf

GiPSTN

IuCSIuPS

VLRB

Gp

VLRG

BSC

BTSBTS

Um

A

BSC

BTSBTS

Gb

Abis Abis

Um

BSSBSS

SIM

SIM-ME i/f or

MSC

B

PSTN

Iubis

PSTN

CircuitCircuit

GSM BTSGSM BTS

GSMBSS

GSMBSS

GSM BTSGSM BTS

HLRAUC

MSC/VLR

GMSC

Réseau à CommutationDe circuit

InternetIP

InternetIP

SGSN GGSN

Réseau à transfert de paquets

BSBS

BSBS

Iub

UTRAN - UMTS Terrestrial Radio Access Network

Iur

UMTS RNC

UMTS RNC

UMTS Réseau cœur

InternetIP

InternetIP

SGSN GGSN

Réseau à transfert de paquets

BSBS

BSBS

UTRAN - UMTS Terrestrial Radio Access Network

UMTS RNC

UMTS RNC

UMTS Réseau cœur

ATM/AAL2

InternetTélécom

InternetTélécom

BSBS

BSBS

UTRAN - UMTS Terrestrial Radio Access Network

UMTS RNC

UMTS RNC

UMTS Réseau cœur

Réseau Sans fil

Réseauad hoc

Hot Spot

Réseau Sans fil

Réseau Sans fil

Réseaux de mobiles

• 3è génération– IMT 2000 (International Mobile Telecommunication for

the year 2000)• UMTS (Europe)---------- UMTS TDD• W-CDMA (Japon)------- UMTS FDD• Cdma 2000 (USA)• EDGE (USA)

– UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)• faible mobilité: 2 Mbit/s• forte mobilité: 64 Kbit/s

UMTS

• Fréquences– autour de 2GHz : bande de 230MHz

• Bandes appairées (120MHz) : 1920-1980 et 2110-2170 FDD/W-CDMA

• Bandes non appairées (50MHz) : TDD/TD-CDMA• Satellites (MSS) : 60 MHz

• Débit prévisible à forte charge : faible de 30 à 50 Kbit/s

Réseaux sans fil

Bandes sans licence

30 Hz 300 Hz 3 KHz 30 KHz 300 KHz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz

3 GHz 4 GHz 5 GHz1 GHz 2 GHz 6 GHz

ISM : Industrie, Science et Médecine

UNII : Unlicensed National Information Infrastructure

UHFSHFUltra High Ultra High FrequencyFrequency

Super High Super High FrequencyFrequency

Satellite Radar WLANWMAN

FM, TVGSM

WLANEtc …

UHF SHF

GSM : Global System for Mobile Communications

Radio Spectrum

100 Mhz

5.725 Ghz5.825 Ghz

802.11aHiperLan II

83.5 Mhz

2.4 Ghz

2.4835 Ghz

802.11bBluetoothFour à microondes

12cm 5cm

200 Mhz

5.35 Ghz5.15 Ghz

Les catégories de réseaux

• WPAN Wireless Personal Area Network• WLAN Wireless Local Area Network• WMAN Wireless Metropolitan Area Network• WWAN Wireless Wide Area Network

1 m 10 m 100 m 1 km 10 km 100 km

réseaux

métropolitain

Réseaux personnel

Réseauxlocaux

Réseauxétendus

Standards pour les réseaux sans fils

• PAN– IEEE 802.15 (WiMedia)

• IEEE 802.15.1 - Bluetooth• IEEE 802.15.3 - UWB• IEEE 802.15.4 - ZigBee

• WLAN– IEEE 802.11 (Wi-Fi)

• IEEE 802.11b • IEEE 802.11a• IEEE 802.11g• IEEE 802.11n

– HiperLAN• WMAN

– IEEE 802.16 (WiMAX)• IEEE 802.16a• IEEE 802.16b

– IEEE 802.20 (MBWA)

802.15.4

802.15.1

Capacité

ComplexitéPAN / WLAN / WMAN

802.11n

802.11 802.11b 802.11g

802.11a

802.15.3

Réseau ad hoc

• Auto-organisation• Spontané• Pas de système d’administration• Sur batterie• Chaque noeud est un routeur

IEEE 802.15

WPAN: Wireless Personal Area Network

Bluetooth

Qui est Bluetooth?

• Harald Blaatand « Bluetooth » II– Roi du Danemark (940-981)

802.15x

• Les différents 802.15.x– 802.15.1 ou Bluetooth– 802.15.2 – 802.15.3 ou UWB– 802.15.4 ou ZeegBee

Bluetooth

Technologie pour remplacer les câbles Débit inférieur à 1 Mbit/s Une dizaine de mètres Faible puissance Coût très bas

Bluetooth Radio Link

Saut de fréquence– 2.402 GHz + k MHz, k=0, …, 78– 1,600 sauts par seconde

1 Mbit/s

. . .

1Mhz

1 2 3 79

83.5 Mhz

Bluetooth

• Fréquences entre 2 400 et 2 483,5 Mhz • 79 canaux d’une largeur de 1 Mhz.

– Ces fréquences ne sont pas disponibles dans tous les pays et en France, au Japon ou en Espagne seulement 23 fréquences sont accessibles.

• Piconet de 8 utilisateurs– 1 maître et 7 esclaves (technique de polling)

Téléphone Bluetooth

Piconet

PDA

téléphone

souris

Scatternet

PDAtéléphone

Casque sans fil

téléphone

PDA

téléphone

souris

Bluetooth

IEEE 802.11 / Wi-Fi

Le standard IEEE 802.11

Couche 1 : Physique

Couche 3 : Réseau

Couche 4 : Transport

Couche 2 : Liaison de données

Couche 5 : Session

Couche 7 : Application

Couche 6 : Présentation

Couche 1 : Physique

Couche 3 : Réseau

Couche 4 : Transport

Couche 2 : Liaison de données

Couche 5 : Application

Ethernet, Wi-Fi, Fibre optique, etc …

TCP/IP

• IEEE 802.11 - Standard d’origine (1990 – 1997)• But : Développer une couche physique et une couche

liaison permettant d’offrir une connectivité sans fil à toute station aussi bien fixe que mobile

• Débit : 1 et 2 Mbits/s dans la bande ISM (2,4 GHz)

HTTP, mail, etc …

Modèle ISOModèle ISO Modèle TCP/IPModèle TCP/IP

Amendements à IEEE 802.11

• Couche Physique– 802.11b (1999) - Vitesse jusqu’à 11 Mbit/s (bande ISM)

• 802.11b+ (2002) - Vitesse jusqu’à 22 Mbit/s (bande ISM)

– 802.11a (2001) - Vitesse jusqu’à 54 Mbit/s (bande UNII)• 802.11a 2x mode - Vitesse jusqu’à 108 Mbit/s (bande UNII)

– 802.11g (2003) - Vitesse jusqu’à 54 Mbit/s (bande ISM) • 802.11g 2x mode - Vitesse jusqu’à 108 Mbit/s (bande ISM)

– 802.11n (2005/2006) - Vitesse jusqu’à 108 Mbit/s voir 320 Mbit/s

• Couche Liaison de données– 802.11e (2003) - Qualité de service – 802.11i (2003) - Amélioration de la sécurité – 802.11f (2003) – Gestion des handovers

Wi-Fi Alliance (1/3)

• Wi-Fi Alliance : Organisme qui regroupe les principaux acteurs du marché sans fils dans le monde

• Son but : – promouvoir Wi-Fi comme standard international pour

les réseaux sans fil– garantir l’interopérabilité des produits Wi-Fi (Wireless

Fidelity)– garantir la sécurité dans Wi-Fi (WPA)

Wi-Fi Alliance (2/3)

• Wi-Fi : programme de certification– Tests visant à labelliser tout type d’équipement basé sur

le standard 802.11• Cartes • Point d’accès

– Matériel de référence :• Orinoco, Cisco, Intersil

• But : Permettre l’interopérabilité entre tous les équipements Wi-Fi

Wi-Fi Alliance (3/3)

• WPA (Wi-Fi Protected Access)– Certification pour la sécurité– Architecture de sécurité basé sur l’utilisation de 802.1x

et TKIP– Sera compatible avec IEEE 802.11i

• Wi-Fi Zone– Certification pour les hot spots

• Déploiement• Fiabilité• Sécurité

Basic Service Set (BSS)

BSS

STATION

STATION

STATION

STATION

STATION

Point d’accès

Caractéristiques principales :

• Nom de réseau (SSID)

• Canal de transmission

• Mécanismes de sécurité

• Topologie

Réseau d’infrastructure (ESS)

BSS

STATION

Point d’accès

STATION

STATION

ESS

Système de distribution

BSS

STATION

Point d’accès

STATION

STATION

Caractéristiques principales :

• Nom de réseau (SSID)

• Canal de transmission

• Mécanismes de sécurité

• Topologie

Internet

Réseau en mode ad hoc (IBSS)

IBSS

STATION

STATION

STATION

STATION

Caractéristiques principales :

• Nom de réseau (SSID)

• Canal de transmission

• Mécanismes de sécurité

• Topologie

Equipements : Cartes 802.11

Wi-Fi embarqué

• En 2004, plus de 80 % du marché des portables seront équipés de cartes Wi-Fi embarqués

• Depuis 2003, les PDA sont équipés de Wi-Fi embarqués

Equipements : Point d’accès

Equipements : Antenne

Architecture détaillée

Réseau Wi-FiRéseau Wi-Fi5

Ethernet Alimenté (PoE)

AP controller

Power System

Gestion des handovers

Configuration dynamique des points d’accès Wi-Fi et Wi-Fi5

Topologies du réseau (1/2)

BSS

STATION

Point d’accès

STATION

STATION

BSS

STATION

Point d’accès

STATION

STATION

BSS

STATION

Point d’accès

STATION

STATION

ETHERNET

Topologies du réseau (2/2)

BSS

STATION

Point d’accès

STATION

STATION

BSS

STATION

Point d’accès

STATION

STATION

BSS

STATION

Point d’accès

STATION

STATION

La réglementation française

• Aucune demande d’autorisation– A l’intérieur des bâtiments

• Bande 2,400 – 2,4835 GHz, puissance 100 mW

– A l’extérieur des bâtiments • Bande 2.400- 2,454 GHz, puissance 100 mW

• Bande 2,454 – 2,4835 GHz, puissance 10 mW

• Autorisation nécéssaire pour une utilisation complète de la bande des 2,4 GHz

802.11b et g

• Bande ISM• Bande divisée en 14 canaux de 20 MHz• La transmission ne se fait que sur un seul canal• Superposition de 3 réseaux au sein d’un même espace• Débits compris entre 1 et 11 Mbit/s• Mécanisme de variation de débits selon la qualité de l’environnement radio

2,4 GHz 2,4835 GHz

Canal 1 Canal 7 Canal 13

83,5 MHz

Affectation des canaux (1/2)

10 à 13141 à 131 à 11Nombres de sous canaux

utilisés

Pays Etats-Unis Europe Japon France

Canal 10

Canal 11

Canal 12

Canal 13

2,4835 GHz2,4465 GHz37 MHz

Affectation des canaux (2/2)

1 137

13

13 1

1 13

13

13

Zone de couverture (1/3)

• Dépend de l’environnement– Les murs– Les meubles– Les personnes

• Distance entre les équipements du réseau• Interférences

– Autres réseaux Wi-Fi– Bluetooth– Les fours micro-ondes– Autres équipements utilisant la bande ISM

Zone de couverture (2/3)

• A l’intérieur des bâtiments

• A l’extérieur des bâtiments

Vitesses (Mbits/s) Portée (Mètres)

11 50

5 75

2 100

1 150

Vitesses (Mbits/s) Portée (Mètres)

11 200

5 300

2 400

1 500

Zone de couverture (3/3)

Point d’accès

802.11a

• Bande UN-II (5GHz)• Largeur de la bande : 300 MHz• Basé sur OFDM• Débits compris entre 6 et 54 Mbits/s• Certaines technologies permettent d’atteindre 108 Mbits/s

5,15 GHz 5,20 GHz 5,25 GHz 5,30 GHz 5,35 GHz 5,725 GHz 5,775 GHz 5,825 GHz

Low Middle High

40 mW 200 mW 800 mW

Intérieur ExtérieurDomaines d’applications

Puissance

Bande U-NII

Fréquences

Les canaux de 802.11a

• 8 canaux de 20 MHz

• Co-localisation de 8 réseaux au sein du même espace

5,18 GHz 5,2 GHz 5,28 GHz5,22 GHz 5,24 GHz 5,26 GHz 5,3 GHz 5,32 GHz 5,35 GHz5,15 GHz

2,4835 GHz200 MHz

Canal Fréquence(en GHz)

36 5,18

40 5,20

44 5,22

48 5,24

52 5,28

56 5,30

60 5,32

Affectation des canaux

36 44

40 56

48 60

52

6436 44

40 56

4860

5264

802.11a - Zone de couverture

• A l’intérieur des bâtiments

Vitesses (Mbits/s) Portée (Mètres)

54 10

48 17

38 25

24 30

12 50

6 70

Amendements 802.11x

• 802.11b - Vitesse de 11 Mbits/s (bande ISM)• 802.11a - Vitesse de 54 Mbits/s (bande UN-II)• 802.11g - Vitesse de 20 Mbits/s (bande ISM)• 802.11e - Qualité de service• 802.11f – Handovers• 802.11i - Amélioration de la sécurité

Sécurité dans Wi-Fi

• Accès au réseau– Service Set ID (SSID) : équivalent au nom de réseau– Access Control List (ACL) : basé sur les adresses MAC

• Wired Encryption Privacy (WEP) : Mécanisme de chiffrement basé sur le RC4

• Nouvelle sécurité : TKIP (Temporal Key Integrity Protocol

(formerly WEP2) ), 802.1x et carte à puce

IEEE 802.11e

• Qualité de service• Téléphone IEEE

802.11• Algorithme d’accès

CSMA-CA avec priorité

PartoutTout le temps

Accès gratuit?

Ville Internet

IEEE 802.11bIEEE 802.11a and IEEE 802.11e

UMTS

Internet enfoui

Internet enfoui

Hot spot

La mobilité IP

IP-Mobile : problématique

Tunneling

Protocole

Internet gf

LD

Source Destination

f : fonction de ré-adressageg : fonction inverse

IP Cellulaire

Architecture

Les réseaux ad-hocLes réseaux ad-hoc

Inondation

Avec tables de routage

Les MPR

Calcul de la route

B D

A

c E

F

: bi-dir

: uni-dir

Nœud C :

A bi_dir -B mpr D E uni-dir -

Nœud E :

D mpr B,F

Nœud B :

A bi-dir -C bi-dir - D mpr E,F

Nœud A :

B mpr DC bi-dir -

Nœud D :

B mpr A,CE bi-dir - F bi-dir -

Nœud F :

D mpr B,EE uni-dir -

4è génération de mobiles4è génération de mobiles

• 4è génération– Handover hétérogène

• IEEE 802.11• HiperLAN• Bluetooth• UMTS• BLR• GPRS• GSM• Satellite• fixe

Le futur

Références

• Http://www.3gpp.org

• http://www.ietf.org

• Les réseaux de mobiles et les réseaux sans fil, K. Al Agha, G. Pujolle, G. Vivier, Eyrolles

• The GSM System for Mobile Communications, M. Mouly, M.B. Pautet, Cell & sys

• Wireless Personal Communications Systems, D. J. Goodman, Addison-Wesley

• Mobile Cellular Telecommunications, W. C. Y. Lee, McGraw-Hill

• Mobile IP, C. Perkins, Addison-Wesley

• WCDMA for UMTS: Radio Access for Third Generation Mobile Communication, Harri Holma, Antti Toskala, WILEY