Architecture Protocolairede l’UMTS

(Universal Mobile Telecom System)

André-Luc BEYLOTENSEEIHT

Département Télécommunications et Réseaux

2

PLAN GENERALn Introduction

n Architecture Protocolaire et Interfaces

n Réseau d ’accès radio : UTRANu Universal (/UMTS) Terrestrial Radio Access Network

n Réseau cœur : CN (Core Network)

n Evolutions

3

UMTSn Constat :

u GSM : téléphonieu GPRS : transfert de données à débit assez faibleu difficulté d’intégrer de nouveaux services/multimédia/QoSu Atteindre des débits supérieurs : 64kb/s- 144 kb/s - 2 Mb/s

n Caractéristiques essentielles :u Norme mondiale : IMT-2000 de l ’ITU-T, 3GPP

F Européens + Japonais + Coréens + Chinoisu Couche physique de l ’Interface Air profondément modifiéeu Protocoles du réseau d’accès (UTRAN) redéfinisu Boîte à outils pour développer de nouveaux servicesu « Améliorations » des architectures protocolaires

4

QoS Historique et Motivationn GSM propose 2 services de transferts de données :

Transparent et non-transparentn Profils de QoS introduits dans le GPRS rel'97

u classe de fiabilité, classe de délai, classe de débit moyen,classe de débit crête

n Amélioration des mécanismes de QoS : UMTS/GPRSrel'99u plusieurs contextes/@ PDP

n Evolution rapide de l’Internetu grande variété d’applicationsu apparition de la QoS

n Volonté des Opérateursu différentiationu Introduction rapide de nouveaux services

•Conversational – ex : speech, video telephony, VoIP– Real time – Preserve time relation (variation) between information entities of the stream. – Conversational pattern (stringent and low delay)

• Streaming – ex : streaming audio and video– Real time – Preserve time relation (variation) between information entities of the stream

• Interactive – ex : web browsing– Best effort– Request response pattern– Preserve payload content

• Background – ex : background download of emails, ftp, sms– Best effort– Destination is not expecting the data within a certain time– Preserve payload content

UMTS Traffic Classes3GPP TS 23.107

6

Paramètres de QoS et Applis

Yes/No

Yes/No/-

< 2048 kbps

<2048 kbps

<=1500 octets

<100 ms

5*10-2…10-6

10-2…10-5

1, 2, 3

Yes/No

Yes/No/-

< 2048 kbps

<2048 kbps

<=1500 octets

<250 ms

5*10-2…10-6

10-1…10-5

1, 2, 3

Yes/No

Yes/No/-

< 2048 kbps-overhead

<=1500 octets

4*10-3…6*10-8

10-3…10-6

1, 2, 3

1, 2, 3

Yes/No

Yes/No/-

< 2048 kbps-overhead

<=1500 octets

4*10-3…6*10-8

10-3…10-6

1, 2, 3

Conversationalclass

Streamingclass

Interactiveclass

Backgroundclass

Precedence class

Delay class

Reliability class

Peak throughput class

Mean throughput class

GPRSrel'97, '98

Delivery order

SDU formatinformation

Delivery oferroneous SDUs

Maximum bitrate

Guaranteed bitrate

Maximum SDU size

Transfer delay

Residual BER

SDU error ratio

Allocation/retentionpriority

Traffic handlingpriority

GPRS/UMTS rel'99, 4, 5

7

VISION IMT2000

IMT-2000 The ITU vision of global wireless access

in the 21st century

Satellite

MacrocellMicrocell

UrbanIn-Building

Picocell

Global

Suburban

Basic TerminalPDA Terminal

Audio/Visual Terminal

8

UMTS - Architecture Générale

Inter-PLMN Backbone Network

3G-SGSN3G-MSC

CS Domain

3G-GGSNPS Domain

Node B

RNC

RAN

UE

RNC : Radio Network ControllerUE : User Equipment

9

Acronymes

GSM-GPRSBSC : Base Station Controller

MS : Mobile Station

BTS : Base Transceiver Station

MSC : Mobile-services Switching Center

BSS : Base Station Subsystem

GGSN : Gateway GPRS Support Node

SGSN : Serving GPRS Support Node

Interfaces :BTS-BSC : AbisBSC-MSC : ABSC-BSC : non définie

UMTSRNC : Radio Network Controller

UE : User Equipment

Node-B

U-MSC : UMTS - MSC

RNS : Radio Network Subsystem

3G-GGSN

3G-SGSN

Interfaces :NodeB-RNC : IubRNC-CN : IuRNC-RNC : Iur

10

Modèle architecture de l’UMTS

UserEquipment UTRAN Core

NetworkUu Iu

Cu Uu IuUSIM Terminal RAN CN Réseau

Extérieur

Strate d’accès radio

Strate de service

Strate personnelle

Strate applicative

11

Caractéristiques couche physiquen Méthode d ’accès CDMA : Code Division Multiple Access

u W-CDMA en FDD : Frequency Division DuplexF (sens montants et descendants séparés en fréquence)

u TD-CDMA en TDD : Time Division DuplexF (sens montants et descendants séparés dans le temps)

n Canaux de transport <=> Canaux physiques

CANAUX PHYSIQUESu Canaux dédiésu Communs : visibles couches supérieuresu Communs : uniquement couche physique

CANAUX DE TRANSPORTu Canal de transport dédié : DCHu Communs (cf. GSM)

12

Fonctionnalités couche physiquen Ajout d’un CRCn Codage canaln plusieurs niveaux

u d ’adaptation de débitu de segmentationu de concaténation

n multiplexage des canaux de transportn entrelacement

13

Soft Handover/Macro-diversité

Core Network (CN)

Radio NetworkControler

(RNC)

Iu

Node B

Iub

Node B Node B

Iub Iub

Radio NetworkControler

(RNC)

Iu

Node B

Iub

Node B Node B

Iub IubIur

UTRAN

UnitEquipment

UnitEquipment

UnitEquipment

UnitEquipment

Uu Uu Uu Uu Uu Uu

Possibilité de soft-handover (FDD) : Lien entre RNC + interface associée

Serving RNC

Drift RNC

14

Couche 2 de l’UTRANn Canaux logiques :

u de trafic (point à point, multipoint DL)u de contrôle (diffusion, paging, sig dédiée, contrôle partagé)

n MACu mise en correspondance : canaux logiques <=> transportsu gère les priorités (sous l ’ordre de RRC)u collecte mesures volume de trafic + conditions de propag.u Plusieurs entités MAC

F MAC-b diffusionF MAC-c/sh : canaux partagésF MAC-d : canaux dédiés

u MAC-b : situé dans le node-B ; les autres dans le RNC

15

Couche 2 de l’UTRANn RLC : Radio Link Control

u segmentation/réassemblageu concaténation/bourrageu détection des duplicationsu retransmissionu remise en ordreu cryptage

n 3 modes de fonctionnementu transparent : segmentation/réassemblageu non acquitté : + numérotation + détection d ’erreur pas de

repriseu acquitté : + retransmission sélective (cf. GPRS)

n Situé dans le RNC

16

Couche 2/3 de l’UTRANn PDCP : Packet Data Convergence Protocol

u cf. SNDCP du GPRSu Plan-Uu indépendance couches sup. (pas dans la strate d’accès)u compression

n RRC : Radio Resource Controlleru pilote les autres couches, Plan-Cu Demande de connexion du mobile

F mise en place tuyau radio (Radio Access Bearer)F paramétré en fonction de la QoS (débit max, moyen, taux

d’erreur résiduel, taille des paquets …)F configuration des couches inférieures au vu des infos collectéesF plusieurs niveaux d’activité du mobile

n Situés dans le RNC

17

Architecture de l’UTRANPlan de Contrôle

RRC

Plan Utilisateur

PDCP

Contrôle

PDCP

BMC

RLCRLC RLC

Contrôle

Con

trôl

e

RLCRLC

Con

trôl

e

MAC

PHY

Con

trôl

e

Con

trôl

e

RRC : Radio Resource Controller

PDCP Packet Data ConvergenceProtocolBMC Broadcast Multicast Control

Canaux Logiques

Canaux de Transport

18

Interface Uu - Canaux logiques

PHY

MAC

RLC

RRC

PHY

UE Node-B SRNC

MAC

RLC

RRC

Canaux Logiques de donnéesCanaux de contrôle

PHY

MAC

RLC

PDCP

PHY

UE Node-B SRNC

MAC

RLC

PDCP

19

Modèle générique des interfacesde l’UTRAN

Tuyau de données

Application

Couche Physique

Plan Utilisateurréseau de transport

Plan de Contrôledu réseau radio

Plan utilisateurdu réseau radio

CoucheRéseauRadio

Flux de données

CoucheRéseau deTransport

Tuyau de sig. Tuyau de sig.

Plan de commanderéseau de transport

ALCAP

ALCAP : Access Link Control Application Protocol

Plan Utilisateurréseau de transport

20

Interface Iu-b

NodeBApplication Part

(NBAP)TransportLayer

Physical Layer

Radio NetworkControl Plane

Transport NetworkControl Plane

ATMAAL5

User Plane

SSCF-UNISSCOP

Q.2630.1

Q.2150.2

ALCAP

RadioNetwork

Layer

ATMAAL5

SSCF-UNISSCOP

Iub - FPs

ATMAAL2

21

Interface Iu-r

Radio NetworkSubsystem Applic.

Part (RNSAP)

TransportNetwork

Layer

Physical Layer

Radio NetworkControl Plane

Transport NetworkControl Plane

ATMAAL5

User Plane

SSCF-NNISSCOP

Q.2630.1

MTP3-B

ALCAP

RadioNetwork

Layer

ATMAAL5

SSCF-NNISSCOP

Iur - FPs

ATMAAL2

SCCPMTP3-B

Q.2150.1

22

Interface Iu-CS

Radio AccessNetwork Applic.Part (RANAP)

TransportNetwork

Layer

Physical Layer

Radio NetworkControl Plane

Transport NetworkControl Plane

ATMAAL5

User Plane

SSCF-NNISSCOP

Q.2630.1

MTP3-B

ALCAP

RadioNetwork

Layer

ATMAAL5

SSCF-NNISSCOP

Iu - UP ProtocolLayer

ATMAAL2

SCCPMTP3-B

Q.2150.1

23

Interface Iu-PS

Radio AccessNetwork Applic.Part (RANAP)

TransportNetwork

Layer

Radio NetworkControl Plane

Transport NetworkControl Plane

ATMAAL5

User Plane

SSCF-NNISSCOP

RadioNetwork

LayerIu - UP Protocol

Layer

ATMAAL5

SCCPMTP3-B

UDPIP

GTP-U

24

AAL2 dans l’UTRAN

PHY

ATM

AAL2

Iub FrameProtocols (Iub-FP)

GTP-U

IP

MAC

RLC

PHY

ATM

AAL2

Iub-FP

MAC

PHY

ATM

AAL2

Iur-FP

PHY

AAL2

ATM

Iub/Iur-FP

MAC

RLC

PHY

AAL2

ATM

AAL5

PHY

ATM

MSC SGSN

NodeB + UE Drift RNC Serving RNC

Core Network

Iub

Iub

Iur

Iu-CSIu-PS

UTRAN

data

speech

IuFP

Architecture Protocolaire de l’AAL2

COMMON PART SUBLAYER

SERVICE SPECIFICSEGMENTATION AND REASSEMBLY

SERVICE SPECIFICTRANSMISSION ERROR DETECTION

SERVICE SPECIFICASSURED DATA TRANSFER

CPS

SSSAR

SSTED

SSADTSERVICESPECIFIC

CONVERGENCESUBLAYER

(SSCS)ITU-T I.366.1

COMMON PARTSUBLAYER

ITU-T I.363.2

AAL2 = CPS + SSCS (éventuellement vide)

Start Field

PAD Field

CPS-PacketCPS-Packet CPS-Packet CPS-Packet CPS-Packet CPS-Packet

CPS-PDU

CPS-PDU

CPS-PDU

CPS-PDU

CPS-PDU

ATM-SDUCell

Header

ATM-PDU = Cell

Exemple de Multiplexage et de SegmentationAAL2

27

Positionnement de l’AAL2

Medium AccessControl (MAC)

Layer

Radio Link Control(RLC) Layer

Radio PhysicalLayer

TransportChannels

LogicalChannels

Transport ChannelFrame Protocols

AAL2

AAL2SAP SAP SAP SAP

Transport Channel Transport Channel

Frame Protocol

SAP

ATMSAP

Frame Protocol

SAPAir Interface

UTRAN

28

Plan U (vision globale)

L3CE

RLC

MAC

WCDMA/TD-CDMA

Relay

MAC

WCDMA/TD-CDMA

GTP

L1 L1

L2

RLC

GTP GTP

UDP

IP

L2

L1

GTP

UDP

IP

L2

L1

MS RAN 3G Serving Node 3GGateway

Node

UuGnIu

L2

IP

UDP UDP

IP

L3CE

paquet :

PDCP PDCP

RAN protocols (Access Stratum, AS)

RLC

MAC

WCDMA/TD-CDMA

Relay

MAC

WCDMA/TD-CDMA L1 L1

ATM

RLC

AAL2

MS RAN MSCGateway

Node

Uu Iu

ATM

AAL2

circuit :

RAN protocols (Access Stratum, AS)

29

Réseau de données(Internet)

Node B

RNC

3G-GGSN

3G-SGSN

Gn

IPFirewall

GnDomaine PS

Iu

Inter-PLMN Backbone Network

Mécanimesexternes de QoS

DiffServ.

Différents types de canaux (dédiés/communs)

ConnexionsAAL2

3GPP R99/R4 QoS normalisée

30

WCDMA/VoIPMobile

EDGE/VoIPMobile

UMTS Release 1999

UMTS Release 4/5

Packet side (GPRS)GGSN

SCPHLR

GMSC

3G-SGSNIu

MSC/VLR

WCDMA UTRAN

BSBSBSBS

RNC

RNCIur

Iub

(optional)

Circuit side PSTN

InternetWCDMA Mobile

NEW !

EDGE (GSM) BSS

BSBSBSBS

BSC

BSC

Abis

WCDMA UTRAN

BSBSBSBS

RNC

RNCIur

Iub

GGSN

SCPHLR

3G-SGSNIu

CSCFCSCF MGCFMGCF

SGWSGW

MGWMGW

PSTN

Internet

Multimedia ServiceControl (IPTelephony)

Packet Core (GPRS) with real timeservices

NEW !NEW !

IP transportoption for SS7

GMSCMSC/VLR

Circuit Core

(optional)

UMTS Release'99 and Release 4/5UMTS Release'99 and Release 4/5

31

Migration de la SIG versInternet - Interface Iu-r

SSCF-NNI

SSCOP

MTP3-B

AAL5

IP

SCTP

SCCP

AAL5

SSCF-NNI

STC (Q.2150.1)

RNSAP Iur DataStream(s)

TransportNetwork

Layer

Physical Layer

TransportUser

NetworkPlane

Control Plane User Plane

TransportUser

NetworkPlane

Transport NetworkControl Plane

RadioNetwork

Layer

ATM

ALCAP(Q.2630.1)

AAL2

SSCF-NNI

SSCOP

MTP3-B

IP

SCTPSSCF-NNI

M3UA M3UA