Projet de fin d’étude

Année universitaire

2011-2012 Réalisé par : Melle. BARAKAT Fatima

Mr. MOUTAOUFIK Ahmed Amine Encadré par: Mr. HARRATI Mohamed

Stratégie d’introduction de 4G dans un réseau de télécommunication

Année universitaire 2011 - 2012

Résumé

Les systèmes de communications mobiles ont considérablement évolué durant ces

dernières années. Ce fait a encouragé le déploiement de plusieurs systèmes ou

réseaux cellulaires multi technologique. La qualité de service (QoS) offerte aux

utilisateurs mobiles s’améliore d’un système à l’autre. Les systèmes de troisième

génération (3G), comme l’UMTS, offrent une meilleure qualité de service par

rapport à celle offerte par ceux de deuxième génération (2G), comme le GSM.

Pour exemple, les systèmes de 3.5G (HSDPA) améliorent le débit du réseau de

3G sur le lien descendant afin de répondre aux exigences des nouveaux services.

De plus, les réseaux de quatrième génération (4G), comme le WiMAX

(IEEE802.16e) permettent, quant à eux, d’élargir la couverture cellulaire tout en

offrant un débit supérieur. Cette nouvelle évolution améliore encore l’accessibilité

aux services de l’Internet. La migration des services de l’Internet vers les réseaux

mobiles, constitue un enjeu majeur de recherche en télécommunications.

Ce projet présente les concepts de base des techniques des réseaux radio mobiles

et définit la terminologie du domaine. Il présente l'évolution des différents

standards depuis les réseaux analogiques 1G jusqu'aux futurs réseaux hauts débits

4G. Il aborde divers points techniques : concepts radio, services proposés,

architecture des réseaux, aspects procéduraux en se focalisant principalement sur

les solutions proposées pour l'espace européen (GSM, GPRS, UMTS, HSPA,

LTE). La mise en perspective de ces différentes solutions avec d'autres standards

similaires ( WiMAX) est également traitée. Enfin la comparaison entre la 3G et la

4G.

Remerciements Avant d’entamer ce rapport, nous profitons de l’occasion pour remercier tout

d’abord notre encadrent Mr Mohammed HARATI qui n’a pas cessé de nous

encourager pendant la durée de projet de fin d'étude ainsi pour sa générosité en

matière de formation et d’encadrement.

Nous tenons à remercier également nos professeurs de nous avoir incités à

travailler en mettant à notre disposition leurs expériences et leurs compétences.

Nous tenons à remercier les membres du jury qui ont accepté de juger ce travail.

Enfin nous tenons à remercier tout le personnel de l'Ecole Marocaine des Sciences

de l'Ingénieur pour leur sympathie et leur gentillesse.

Liste des abréviations

NMT: Nordic Mobile Telephone

GSM: Global System for Mobile communication

GPRS: General Packet Radio Service

EDGE: Enhanced Data for GSM Evolution

QoS : Quality of service

Wap: Wireless Application Protocol

8-PSK: 8-Phase Shift Keying

HSCSD: High-speed circuit-switched data

UMTS: Universal Mobile Telecommunications System

BTS: Base Transceiver Station

BSC: The base station controller

EIR: Equipment identity register

SMSC: Short Message Service Centre

HLR: Home Location Register

AUC: Authentication Centre

VLR: Visitor Location Register

MSC: Visitor Location Register

OMC: Operation and Maintenance Center

NMC: Network Management Centre

TMN: Telecommunications Management Network

ISDN: Integrated Services Digital Network

PSDN: public switched data network

SGSN: Service GPRS Support Node

GGSN: Gateway GPRS Support Node

BG: Border Gateway

PLMN: Public Land Mobile Network

PCU: Packet Control. Unit

RNC: Radio Network Controller

FDD: Frequency Division Duplex

TDD: Time Division Duplex

CDMA: Code Division Multiple Access

W-CDMA : Wideband Code Division Multiple Access

UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network

TX: emission

RX: reception

ATM: Asynchronous Transfer Mode

UE: user equipment

CS: circuit switching

PS: packet switching

HSDPA: High-Speed Downlink Packet Access

HSUPA: High-Speed Uplink Packet Access

HARQ: Hybrid automatic repeat request

IMS: IP Multimedia Subsystem

SIP: Session Initiation Protocol

LTE: Long Term Evolution

OFDM: Orthogonal frequency-division multiplexing

SC-FDMA: Single Carrier - Frequency Division Multiple Access

3GPP: 3rd Generation Partnership Project

SAE: System Architecture Evolution

EPS: Evolved Packet System

UPE: User Plane Entity

S-GW: Serving Gateway

PDN-GW: Packet Data Network Gateway

IASA: Inter-Access System Anchor

HSS: Home Subscriber Server

PCRF: Policy & Charging Rules Function

EPDG: Evolved Packet Data Gateway

MME: Mobility Management Entity

VOD: Video à la Demande

WIMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access

IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers

NAP: Network Access Provider

NSP: Network Service Provider

CSN: Connectivity Serving Network

ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line

ANRT : Agence Nationale de Réglementation des Télécommunications

DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol

DNS: Domain Name System

Table des figures

Figure1 : Architecture GSM --------------------------------------------------------------7 Figure2 : Architecture GPRS ------------------------------------------------------------8 Figure3 : Architecture UMTS(R99) -----------------------------------------------------9 Figure 4 : Architecture globale du réseau UMTS ------------------------------------10 Figure 5 : Architecture du réseau d’accès ---------------------------------------------11 Figure 6 : NodeB avec antennes sectorielles-----------------------------------------11 Figure 7 : NodeB avec antenne omnidirectionnelle---------------------------------12 Figure 8 : Exemple de NodeB ERICSSON (RBS3202) --------------------------12 Figure 9 : Exemple RNC ERICSSON (RBS 3101) ---------------------------------13 Figure 10 : Représentation graphique de l’exemple de communication--------14 Figure 11 : Architecture du réseau cœur de l’UMTS--------------------------------14 Figure 12 : Architecture UMTS(R4) -----------------------------------------------------17 Figure 13 : Couche du protocole H323 -------------------------------------------------21 Figure 14 : Architecture de l’EPS---------------------------------------------------------31 Figure 15 : Plan de fréquence de 3G----------------------------------------------------34 Figure 16: Hierarchie des cellules de 3G-----------------------------------------------34 Figure 17 : Techniques d’accès --------------------------------------------------------35 Figure 18 : Architecture du WiMAX mobile---------------------------------------------45 Figure 19 : Intra-ASN Handover-----------------------------------------------------------46 Figure 20: Inter-ASN Handover----------------------------------------------------------47

SOMMAIRE

I- Histoire de la téléphonie mobile ……………………6

II- Etude 3G ……………………………………………...9

1) évolution de 3G ……………………………… ……….9

1-1) UMTS(3G) …………………………………….9

1-1-1) Hiérarchie des cellules de l’UMTS ...…....10

1 -1-2) Réseau d’accès UTRAN……………...…...10

1-1-3) Réseau cœur…………………………….....15

a) Eléments communs avec le réseau GSM…..16

b) Le domaine CS …………………………………..16

c) Le domaine PS…………………………………....16

1-2) HSDPA (3.5G) ……………………………......18

1-3) HSUPA (3.75G) …………………………….....28

1-4) LTE (3.9G) ………………………………….....29

2) Services de la téléphonie mobile 3G…………………..32

3) L’objectif de 3G……………………………………...33

4) Plan de fréquence de 3G………………………….........34

5) Hiérarchie des cellules de 3G………………………….34

6) W-CDMA…………………………………………...35

7) Gestion de la mobilité……………………………....37

III- Etude 4G………………………………………………41

1) introduction de 4G……………………………………..41

2) Buts de la 4G……………………………………………41

3) Technologies WIMAX …………………………………41

IV- Comparaison entre 3G et 4G…………………………...48

V- La faisabilité de 3G au Maroc …………………………49

VI- Conclusion……………………………………………….52

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I- Histoire de la téléphonie mobile

Aujourd’hui, tout le monde parle de la téléphonie 4G, ou téléphonie de 4ème

génération. Néanmoins, avant d’arriver à la 4G, il y a eu de grandes évolutions

de la téléphonie mobile. Cette partie présente les différentes générations de la

téléphonie mobile. Cela va permettre de mettre à plat les différences et

ressemblances entre celles-ci.

1G – NMT

Nordic Mobile Telephone (NMT) est une norme de téléphonie mobile spécifiée

par les administrations des télécommunications nordiques à partir de 1970. Elle

a été mise en service en 1981 en réponse à la congestion des réseaux de

téléphonie mobiles existants à cette époque (ARP sur la fréquence 150 MHz en

Finlande et MTD sur la fréquence 450 MHz en Suède, en Norvège et au

Danemark). Ce réseau de première génération a été ouvert dans des pays tels que

la Suède, le Danemark, la Norvège, d’où le nom de « Nordic » dans son

appellation.

Cette norme est basée sur une technologie de téléphonie analogique sans-fil. Sa

technologie de modulation radio est similaire à celle utilisée par les stations

radio FM.

Avantages Inconvénients

Premiers radiotéléphones analogiques

sans-fil Taille imposante des équipements

Pas de confidentialité des communications

Réseaux saturés

2G – GSM

Global System for Mobile communication (GSM) est la norme de téléphonie

mobile de seconde génération développée à partir de 1990. Cette technologie

représente la première technologie de téléphonie numérique sans fil. En 1992, le

GSM est utilisé dans 7 pays européens.

En France, le GSM fonctionne entre les fréquences 900 Mhz et 1800 Mhz.

Le débit moyen du GSM est similaire à celui du FAX, c'est-à-dire 9,6 kbits/sec.

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Figure1: architecture GSM

Avantages Inconvénients

Meilleure qualité d'écoute Débit : lenteur de l'envoi des données

Taille réduite

Confidentialité des communications

2.5G – GPRS

General Packet Radio Service (GPRS) est une évolution importante du GSM.

L’objectif principal de cette évolution est d’accéder aux réseaux IP.

Le débit théorique est de l’ordre de 171,2 kbit/s, et le débit réel est de l’ordre de

30 kbit/s.

Le GPRS supporte différents niveaux de qualité de service (QoS).

Quatre paramètres définissent la qualité de service :

Classe de priorité

Classe de fiabilité

Classe de délai / retard

Classe de débit

Plusieurs nouveautés sont disponibles avec le GPRS :

Accès au Web

Messagerie électronique

Transfert de fichier

Commerce électronique

Services d’information

Malheureusement, le GPRS n’a pas été un succès auprès des consommateurs.

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Figure2: architecture GPRS

Avantages Inconvénients

Débits Pas d'accès à l'internet global

Accès WAP (Internet allégé) Réseaux GSM déjà saturés

Facturation à la donnée Aucune application décisive pour le

grand public

Connexion permanente possible

Support de plusieurs niveaux de qualité de service

2.75G – EDGE

Enhanced Data for GSM Evolution (EDGE) a été développé au cours de l’année

2005. Cette technologie est une évolution des technologies GSM et GPRS. Avec

des débits réels de l’ordre de 177 kbits/s (3 fois plus que le GPRS), EDGE se

place entre le GPRS et la 3G.

EDGE introduit une nouvelle modulation : 8-Phase Shift Keying (8-PSK)

HSCSD et GPRS augmentent le débit GSM.

EDGE est utilisé comme complément avec HSCSD et GPRS :

EDGE couplé au HSCSD donne l’E-CSD (débit maximum théorique de

300 kbps)

EDGE couplé au GPRS donne le E-GPRS (débit maximum théorique de

300 kbps)

Avantages Inconvénients

Solution alternative moins onéreuse que la 3G Obligation de changer de terminal

Débits plus élevés que le GPRS

9

3G – UMTS

Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) a été développé en

2004 sous sa première version Release 99 (R99).

L’UMTS fonctionne sur la bande de fréquences 1900-2000 MHz et permet un

débit réel de l’ordre de 384 kbits/s (8 fois plus rapide que le GPRS).

Figure3: architecture UMTS(R99)

Avantages Inconvénients

Accès Internet haut-débit depuis un équipement

mobile ou un ordinateur Coût

Visiophonie Changement des équipements

usagers

Télévision Arrivée du HSDPA

II- Etude de 3G

1-Evolution de 3G

UMTS comporte des évolutions qui sont définies par les releases suivantes :

La première, release 99, est publiée mi-1999. Cette version utilise une

nouvelle interface radio qui se base sur CDMA (l'accès multiple à répartition

en codes). Il y a deux types de réseau d'accès : FDD et TDD (TD-CDMA).

Les interfaces radio des deux réseaux d'accès sont supportées par l'ATM. Le

débit maximal dans le sens descendant est, en théorie, de 2 Mbps, et dans le

sens montant est de 768 kbps. Le réseau du cœur se base sur le réseau de

transport du GSM et GPRS.

10

1-1Architecture globale du réseau UMTS

Le réseau UMTS est composé d’un réseau d’accès UTRAN (UMTS Terrestrial

Radio Access Network) et d’un réseau cœur.

Figure 4 : Architecture globale du réseau UMTS

a- Réseau d'accès Utran

Le réseau d’accès UTRAN est doté de plusieurs fonctionnalités. Sa fonction

principale est de transférer les données générées par l’usager. Il est une

passerelle entre l’équipement usager et le réseau cœur via les interfaces Uu et Iu.

Cependant, il est chargé d’autres fonctions :

Sécurité : Il permet la confidentialité et la protection des informations

échangées par l’interface radio en utilisant des algorithmes de chiffrement et

d’intégrité.

Mobilité : Une estimation de la position géographique est possible à l’aide

du réseau d’accès UTRAN.

Gestion des ressources radio : Le réseau d’accès est chargé d’allouer et de

maintenir des ressources radio nécessaires à la communication.

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Synchronisation : Il est aussi en charge du maintien de la base temps de

référence des mobiles pour transmettre et recevoir des informations.

Le réseau d’accès UTRAN est composé de plusieurs éléments : une ou plusieurs

stations de base (appelées NodeB), des contrôleurs radio RNC (Radio Network

Controller) et des interfaces de communication entre les différents éléments du

réseau UMTS.

Figure 5: Architecture du réseau d’accès

a-1 NodeB :

La NodeB est une antenne. Réparties géographiquement sur l’ensemble du

territoire, les NodesB au réseau UMTS ce que les BTS sont au réseau GSM. Les

NodeB gèrent la couche physique de l’interface radio. Le NodeB régit le codage

du canal, l’entrelacement, l’adaptation du débit et l’étalement.

Les NodeB communiquent directement avec le mobile sous l’interface

dénommée Uu.

Le rôle principal du NodeB est d’assurer les fonctions de réception et de

transmission radio pour une ou plusieurs cellules du réseau d’accès de l’UMTS

avec un équipement usager. Le NodeB travaille au niveau de la couche physique

du modèle OSI (codage et décodage). Nous pouvons trouver deux types de

NodeB :

12

Figure 6 : NodeB avec antennes sectorielles

Figure 7 : NodeB avec antenne omnidirectionnelle

Figure 8 : Exemple de NodeB ERICSSON (RBS3202)

Node B: architecture fonctionnelle

13

Le bloc « contrôle » comprend le traitement de la signalisation entre le

Node B et le RNC ainsi que vers le centre d’opération et maintenance

Le bloc traitement du signal s’occupe de la partie bande de base de la

couche physique. C ’est la taille de ce bloc qui détermine la capacité du

Node B (CE: Channel Element).

Les blocs Tx et Rx sont les élément radio d’émission et réception

(génération de porteuse, puissance RF …)

Le bloc synchronisation génère les horloges nécessaires au bon

fonctionnement des autres blocs

La partie « énergie » transforme la source de tension externe en divers

niveaux de tension adaptés aux autres blocs

Le bloc switch ATM permet l’interconnexion des différents nœuds sur le

réseau ATM de l ’UTRAN

a-2 Les interfaces de communication

Plusieurs types d’interfaces de communication coexistent au sein du réseau

UMTS :

Uu : Interface entre un équipement usager et le réseau d’accès UTRAN.

Elle permet la communication avec l’UTRAN via la technologie CDMA.

Iu : Interface entre le réseau d’accès UTRAN et le réseau cœur de

l’UMTS. Elle permet au contrôleur radio RNC de communiquer avec le SGSN.

Iur : Interface qui permet à deux contrôleurs radio RNC de communiquer.

Iub : Interface qui permet la communication entre un NodeB et un

contrôleur radio RNC.

a-3RNC:

Le rôle principal du RNC est de router les communications entre le NodeB et le réseau

cœur de l’UMTS. Il travaille au niveau des couches 2 et 3 du modèle OSI (contrôle de

puissance, allocation de codes).

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Le RNC constitue le point d’accès pour l’ensemble des services vis-à-vis du réseau

cœur.

Le RNC (Radio Network Controller) est le nœud qui gère les Node B.

Figure 9 : Exemple RNC ERICSSON(RBS 3101)

RNC: architecture fonctionnelle

Le bloc « gestion des RAB » s ’occupe de l ’établissement, de la

supervision et de la désactivation des canaux radio (Radio Access

Bearer) entre RNC et UE (couche RRC)

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Le bloc « gestion du réseau radio » assure les fonctions de contrôle des

ressources radio (charge des cellules), traitement des informations

émises sur le BCCH, négociation de la QoS entre UE et CN et enfin

signalisation entre UE et CN

Le bloc « traitement du signal » assure toutes les fonctions de la couche

RLC, c’est à dire le traitement d ’erreur,l ’encryption des données, la

recombinaison des datas en cas de soft handover.

Le bloc switch ATM permet l’interconnexion des différents nœuds sur le

réseau ATM de l ’UTRAN

Exemple :

Lorsqu’une communication est établie par un équipement usager, une connexion

de type RRC (Radio Resource Control) est établie entre celui-ci et un RNC du

réseau d’accès UTRAN. Dans ce cas de figure, le RNC concerné est appelé

SRNC (Serving RNC). Si l’usager se déplace dans le réseau, il est

éventuellement amené à changer de cellule en cours de communication. Il est

d’ailleurs possible que l’usager change de NodeB vers un NodeB ne dépendant

plus de son SRNC. Le RNC en charge de ces cellules distantes est appelé «

controlling RNC ». Le RNC distant est appelé « drift RNC » du point de vue

RRC. Le « drift RNC » a pour fonction de router les données échangées entre le

SRNC et l’équipement usager.

Figure 10 - Représentation graphique de l’exemple de communication

5-1-3 Réseau cœur

Le réseau cœur de l’UMTS est composé de trois parties dont deux domaines :

Le domaine CS (Circuit Switched) utilisé pour la téléphonie

Le domaine PS (Packet Switched) qui permet la commutation de paquets.

Les éléments communs aux domaines CS et PS

Ces deux domaines permettent aux équipements usagers de pouvoir gérer

simultanément une communication paquets et circuits. Ces domaines peuvent être

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considérés comme des domaines de service. Ce type d’architecture permet de pouvoir

créer ultérieurement d’autres domaines de service.

Le schéma représente l’architecture du réseau cœur de l’UMTS :

Figure 11 - Architecture du réseau cœur de l’UMTS

a- Eléments communs avec le réseau GSM

Le groupe des éléments communs est composé de plusieurs modules :

Le HLR (Home Location Register) représente une base de données des

informations de l’usager : l’identité de l’équipement usager, le numéro

d’appel de l’usager, les informations relatives aux possibilités de

l’abonnement souscrit par l’usager.

Le AuC (Authentication Center) est en charge de l’authentification de

l’abonné, ainsi que du chiffrement de la communication. Si une de ces

deux fonctions n’est pas respectée, la communication est rejetée. Le Auc

se base sur le HLR afin de récupérer les informations relatives à l’usager

et pour ainsi créer une clé d’identification.

L’EIR (Equipment Identity Register) est en charge de la gestion des vols

des équipements usagers. Il est en possession d’une liste des mobiles

blacklistés par un numéro unique propre à chaque équipement usager, le

numéro IMEI (International Mobile station Equipment Identity).

b- Le domaine CS

Le domaine circuit permettra de gérer les services temps réels dédiés aux

conversations téléphoniques (vidéo-téléphonie, jeux vidéo, streaming,

applications multimédia). Ces applications nécessitent un temps de transfert

rapide. Lors de l’introduction de l’UMTS le débit du mode domaine circuit sera

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de 384 Kbits/s. L’infrastructure s’appuiera alors sur les principaux éléments du

réseau GSM : MSC/VLR (bases données existantes) et le GMSC afin d’avoir

une connexion directe vers le réseau externe.

Le domaine CS est composé de plusieurs modules :

Le MSC (Mobile-services Switching Center) est en charge d’établir la

communication avec l’équipement usager. Il a pour rôle de commuter les

données.

Le GMSC (Gateway MSC) est une passerelle entre le réseau UMTS et le

réseau téléphonique commuté PSTN (Public Switched Telephone

Network). Si un équipement usager contacte un autre équipement depuis

un réseau extérieur au réseau UMTS, la communication passe par le

GMSC qui interroge le HLR pour récupérer les informations de l’usager.

Ensuite, il route la communication vers le MSC dont dépend l’usager

destinataire.

Le VLR (Visitor Location Register) est une base de données, assez

similaire à celle du HLR, attachée à un ou plusieurs MSC. Le VLR garde

en mémoire l’identité temporaire de l’équipement usager dans le but

d’empêcher l’interception de l’identité d’un usager. Le VLR est en charge

d’enregistrer les usagers dans une zone géographique LA (Location Area).

c- Le domaine PS

Le domaine paquet permettra de gérer les services non temps réels. Il s’agit

principalement de la navigation sur l’Internet, de la gestion de jeux en réseaux et

de l’accès/utilisation du e-mail. Ces applications sont moins sensibles au temps

de transfert, c’est la raison pour laquelle les données transiteront en mode

paquet. Le débit du domaine paquet sera sept fois plus rapide que le mode

circuit, environ 2Mbits/s. L’infrastructure s’appuiera alors sur les principaux

éléments du réseau GPRS : SGSN (bases de données existantes en mode paquet

GPRS, équivalent des MSC / VLR en réseau GSM) et le GGSN (équivalent du

GMSC en réseau GSM) qui jouera le rôle de commutateur vers le réseau

Internet et les autres réseaux publics ou privés de transmission de données.

Le domaine PS est composé de plusieurs modules :

Le SGSN (Serving GPRS Support Node) est en charge d’enregistrer les

usagers dans une zone géographique dans une zone de routage RA

(Routing Area)

Le GGSN (Gateway GPRS Support Node) est une passerelle vers les

réseaux à commutation de paquets extérieurs tels que l’Internet.

La release 4 de l'UMTS est terminée en mars 2001. Cette version ajoute la

deuxième interface radio de type TDD, TD-SCDMA. Cette interface utilise un

débit « chip » inférieur (1,28 Mcps) par rapport au TD-CDMA (3,84 Mcps)

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afin de s’adapter à la bande inférieure (donc 6MHz) que la bande

traditionnelle de TDD. La release 4 apporte une évolution importante dans

le réseau cœur qui sépare la signalisation de la transmission (« call and bearer

separation »). En conséquence, le MSC se divise entre le serveur de MSC

pour assurer le contrôle d'appel, et CS-MGW pour assurer la transmission. Le

GSMC se divise également entre le serveur de GSMC et CS-MGW.

Figure 12 - Architecture UMTS(R4)

1-2) HSDPA (3.5G)

La release 5 est terminée en mars 2002, et apporte des évolutions

significatives. Cette version inclut deux évolutions dans le réseau UMTS : le

support d’IP au niveau du réseau coeur et HSDPA. Le protocole IP est

considéré afin de remplacer l'ATM dans la couche de transport. Le mécanisme

deHybrid automatic repeat request (HSDPA) se base sur le canal radio qui est

partagé entre tous les utilisateurs dans le sens descendant, sur l'évaluation en

temps réel du canal radio, et sur la retransmission rapide (HARQ) afin

d'augmenter le débit descendant, en théorie, à 14,4 Mbps.

HIGH-SPEED DOWNLINK PACKET ACCESS, également connu sous le nom

de HSDPA, est un protocole de téléphonie mobile visant à accroître les taux de

transfert de données et de la capacité des réseaux de troisième génération par le

biais de transfert de données à l'aide d'un téléphone cellulaire. Le HSDPA

communément appelée 3,5G ou encore 3G+ (dénomination

commerciale),offre des performances dix fois supérieures à la 3G (UMTS

Release 99) dont il est une évolution logicielle. Cette évolution permet

d'approcher les performances des réseaux DSL (Digital Subscriber Line).

Le HSDPA est le lien descendant du réseau vers le terminal à haut débit en

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mode paquets. Cette technologie est définie dans la norme WCDMA 3GPP Rel.

5, et basée sur la technologie de communication WCDMA.

Le WCDMA-FDD (WCDMA - Frequency Division Duplex) était destiné

jusqu’à présent à un débit de données utiles de 384 kbit/s ou bien de 2 Mbit/s

avec une procédure à codes multiples. Si le débit chip ne varie pas sur l’interface

air (3,84 MChip/s), les canaux HSDPA peuvent transmettre en plus, en liaison

descendante, jusqu’à 14,4 Mbit/s (théoriques) et ceci, grâce à des principes de

communication subtils au niveau des couches inférieures - physique et

couche MAC - des partenaires de communication, c’est-à-dire la station de

base et le mobile.

Néanmoins, le principal inconvénient concernant le HSDPA est le débit montant

(uplink) qui reste inchangé et reste donc borné au niveau de référence de

l'UMTS, c'est-à-dire 384 Kbit/s.

Les éléments clés de cette nouvelle norme sont les suivants :

Raccourcissement et utilisation intelligente du TTI (Transmission Time

Interval) de 10 ms à 2 ms

Utilisation d’un type de modulation de niveau supérieur (16QAM)

Adaptation rapide et optimisée de la modulation, du codage des canaux et

de la puissance en liaison descendante aux conditions actuelles du canal

radio (AMC).

Retour d’information permanent et rapide de la qualité de réception dans

le terminal (CQI : Channel Quality Indication)

Définition de brèves durées de réponse dans la couche physique du

terminal mobile, dans lesquelles il est indiqué si un paquet de

données HSDPA a été « compris » ou non (processus ACK- /NACK)

Répétition du message (retransmission) avec codage modifié (Incremental

Redundancy) : le mobile superpose intelligemment des fragments

reçus séparément dans le temps (Soft Combining) et tente de décoder

l’ensemble du message.

Répartition des blocs de transmission dans des processus parallèles

commandés indépendamment les uns des autres (Hybrid Automatic

Repeat Request ou HARQ).

● HYBRID AUTOMATIC REPEAT REQUEST :

Le « HARQ » est une fonction qui améliore les performances dans HSDPA car il

combine :

la correction d'erreurs par redondance de la couche physique

la correction d'erreurs par retransmission de la couche liaison de données.

Afin d’assurer la fiabilité des transmissions, on distingue deux grandes classes de

mécanismes : les mécanismes réactifs ARQ (Automatic Repeat reQuest) et les

mécanismes proactifs FEC (Forward Error Correction). Dans les mécanismes

20

réactifs, l’émetteur réagit à la signalisation d’une perte de paquet en

retransmettant ce paquet. Cette signalisation peut être effectuée par l’émission

d’acquittements positifs ACK (ACKnowledgement) ou négatifs NAK

(Negative- AcKnowledgement). En ce qui concerne le fonctionnement des

mécanismes proactifs, l’émetteur rajoute des paquets de redondance permettant au

récepteur de récupérer des paquets perdus. Ces paquets de redondance sont

calculés en utilisant des codes correcteurs d’erreurs . Ces deux mécanismes sont

souvent combinés en utilisant des acquittements pour ajuster la quantité de

redondance des codes FEC. Une telle combinaison de mécanismes est appelée

ARQ hybride ou HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest).

Le HARQ peut être caractérisé par certains paramètres tels que la synchronisation,

l’adaptativité ainsi que la manière dont est faite la combinaison. Quand la relation

temporelle entre la transmission originale et la (ou les) retransmission(s) est fixe,

l’opération HARQ est dite alors « synchrone ». Si, au contraire, les

retransmissions sont programmées à n’importe quel moment après avoir reçu un

ACK, on parlera alors d’opération « HARQ asynchrone ».

On dit qu’un système HARQ est adaptatif si on peut réaliser des retransmissions

en utilisant un autre type de modulation autre que celui qui a été utilisé pour la

transmission originale. Par exemple, si la modulation QPSK est utilisée durant la

première transmission d’un paquet et que celle-ci échoue, la 16-QAM peut être

utilisée pour la retransmission de ce même paquet si les conditions du canal ou

des ressources radio (puissance du signal et/ou codes de canalisation) changent

entre la première transmission et les retransmissions qui s’en suivent.

On distingue deux variantes de l’HARQ selon que l’on combine ou non les

retransmissions :

HARQ de type I : dans cette variante, appelée aussi chase combining ou

softcombining, il n’y a pas de combinaison des retransmissions. Le Soft

combining fait appel à la retransmission par l’émetteur du même paquet de

données codées. Le décodeur au niveau du récepteur combine ces copies multiples

du paquet envoyé, pondérés par le rapport de signal/bruit ou SNR reçu.

HARQ de type II : cette technique, connue aussi sous le nom de IR

(Incremental Redundancy) qui, contrairement à la précédente qui envoie des

répétitions simples de tout le paquet encodé, envoie ici une information redondante

additionnelle d’une manière incrémentale si le décodage échoue à la première

tentative.

Le protocole HARQ est basé sur un système UPLINK ASYNCHRONE et

DOWNLINK SYNCHRONE. La technologie HSDPA s'appuie donc sur un

mécanisme HARQ asynchrone et adaptatif et peut fonctionner avec les deux

variantes Soft combining et IR. Il est à noter qu’avec la deuxième variante,

on obtient de meilleures performances, mais elle nécessite plus de mémoire dans

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le récepteur du terminal mobile pour stocker les informations de redondance.

2.2 SIP et H323

Introduction à l'H.323

Il est devenu nécessaire de créer des protocoles capables de supporter l'arrivée

des technologies du multimédia sur les réseaux, telles que la visioconférence :

l'envoi de son et de vidéo avec un souci de données temps réel. Le protocole

H.323 en fait donc partie. Il permet entre autres de faire de la visioconférence

sur des réseaux IP.

H.323 regroupe un ensemble de protocoles pour le transport et la configuraiton

de la voix, de l'image et de la data sur IP. C'est un protocole dérivé du protocole

H.320 utilisé sur RNIS.

Pile protocolaire

H.323 est un regroupement de plusieurs protocoles qui concernent trois

catégories distinctes : la signalisation, la négociation de codecs et le transport

de l'information.

Figure 13 –Couche du protocole H323

Le respect du standard H.323 permet de garantir un contrôle sur l'utilisation des

ressources réseaux et des contraintes de qualité de service. Tous les terminaux

H.323 doivent supporter :

Le protocole H.245 qui négocie l'ouverture et l'utilisation des canaux ainsi

que les paramètres de la communication voix. La négociation est utile

pour mettre d'accord les terminaux et les équipements voix qui

communiquent entre eux sur les choix du type des données transportées,

les langages utilisés entre les équipements doivent s'adapter aux

contraintes imposées par le support de transmission notamment et par les

22

équipements eux-mêmes. Le choix du codec est très important (G7xx et

H26x sur le schéma), du moins gourmand en bande passante à celui qui

offre la meilleur qualité vocale.

Le protocole H.225 (SIG) pour la signalisation et l'établissement d'appels.

Le protocole H.225 (RAS) (Registration/Admission/Status), qui est le

protocole utilisé par le terminal pour communiquer avec le serveur de

contrôle d'appels.

Les protocoles RTP/RTCP (Real Time Protocol/Real Time Control

Protocol) transportent les flux audio et vidéo.

Le T.120 permet l'ouverture d'un canal pour le partage d'applications.

Applications de l'H.323

L'H.323 est un standard fournissant une base pour la communication utilisant de

l'audio, de la vidéo, et des données à travers les réseaux IP. Il permet de faire

interopérer des applications multimédia entre elles sans souci de compatibilité.

H.323 est utilisé dans tous types d'applications destinés aux particuliers et aux

entreprises. Il est utilisé par un grand nombre d'opérateurs qui proposent du

triple-play qui s'impose très largement sur le marché des

télécommunications avec le passage sur la VoIP des systèmes téléphoniques

depuis la téléphonie classique (sur lien RTC) et RNIS (Numéris).

Les limites du protocole

Le standard mis de l'ITU permet une intéropérabilité entre des équipements de

constructeurs différents et est très largement utilisé encore aujourd'hui, il

présente toutefois les inconvénients suivants :

Interopérabilité avec les autres normes de visioconférence : Le fonctionnement de la visioconférence entre les équipements utilisant les

protocoles H.320 et H.323 posent des problèmes et nécessite des gateways

(passerelles).

H.323 et IP Multicast ne sont, en règle générale, pas compatibles, sauf dans le

cadre de VRVS qui permet un certain degré d'interopérabilité, mais ne gère pas

la norme T.120.

Le développement de l'H.323 a été basé sur la téléphonie et ses différents

standards ne sont pas compatibles avec la plupart des protocoles du monde IP

(contrairement au protocole SIP)

Problème d'interopérabilité entre équipements : L'H.323 comprend de nombreuses options susceptibles d'être implémentées de

façon différentes par les constructeurs et donc de poser des problèmes

d'interopérabilité ou de plus petit dénominateur commun (dans le choix du

23

codec, par exemple). D'autre part, comme le seul codec obligatoire est le codec

G.711 (64 Kps) et que le support des autres codecs plus efficaces est optionnel,

l'interopérabilité entre produits provenant de constructeurs différents ne signifie

pas qu'ils feront un usage optimal de la bande passante. En effet, dans le cas où

les codecs à bas débits sont différents, le transport de la voix se fera à 64 Kbps,

ce qui, en terme de bande passante, ne présente guère d'avantages par rapport à

un système téléphonique classique.

Le protocole H.323, bien qu'implémenté dans un grand nombre de logiciels

commerciaux et dans la plupart des solutions de visioconférence "tout en un",

passe donc pour un "mauvais protocole". Ceci est en fait dû à la liberté qu'ont

pris les fabricants dans l'implémentation des différentes normes le composant.

Ce qui fait qu'un protocole qui se devait d'être interopérable ne l'est plus

vraiment. Au point qu'il est relativement difficile de faire fonctionner deux

solutions propriétaires différentes entre elles.

Protocole complexe

L'H.323 est un protocole complexe, créé initialement pour les conférences

multimédia et qui incorpore des mécanismes superflus dans un contexte

purement téléphonique. Ceci a notamment des incidences au niveau des

terminaux H.323 (téléphones IP, par exemple) qui nécessitent de ce fait une

capacité mémoire et de traitement non sans incidence au niveau de leur coût et

du délai d'établissement de l'appel.

Le protocole SIP

Session Initiation Protocol (dont le sigle est SIP) est un protocole normalisé et

standardisé par l'IETF (décrit par le RFC 3261 qui rend obsolète le RFC 2543, et

complété par le RFC 3265) qui a été conçu pour établir, modifier et terminer des

sessions multimédia. Il se charge de l'authentification et de la localisation des

multiples participants. Il se charge également de la négociation sur les types de

média utilisables par les différents participants en encapsulant des messages

SDP (Session Description Protocol). SIP ne transporte pas les données

échangées durant la session comme la voix ou la vidéo. SIP étant indépendant de

la transmission des données, tout type de données et de protocoles peut être

utilisé pour cet échange. Cependant le protocole RTP (Real-time Transport

Protocol) assure le plus souvent les sessions audio et vidéo. SIP remplace

progressivement H323.

SIP est le standard ouvert de VoIP (Voice Over IP, voix sur IP) interopérable le

plus étendu et vise à devenir LE standard des télécommunications multimédia

(son, image, etc.). Skype par exemple, qui utilise un format propriétaire, ne

permet pas l'interopérabilité avec un autre réseau de voix sur IP et ne fournit que

des passerelles payantes vers la téléphonie standard. SIP n'est donc pas

seulement destiné à la VoIP mais pour de nombreuses autres applications telles

24

que la visiophonie, la messagerie instantanée, la réalité virtuelle ou même les

jeux vidéo.

Fonctionnement

Bases SIP partage de nombreuses similitudes avec le protocole HTTP comme le

codage en ASCII et les codes de réponse.

Le client envoie des requêtes au serveur, qui lui renvoie une réponse.

Les méthodes de base sont :

INVITE permet à un client de demander une nouvelle session

ACK confirme l'établissement de la session

CANCEL annule un INVITE en suspens

BYE termine une session en cours

Les codes de réponse sont similaires à HTTP :

100 Trying

200 OK

404 Not Found

Les codes supérieurs ou égaux à x80 sont spécifiques à SIP.

180 Ringing

486 Busy

etc.

En revanche, SIP diffère de HTTP du fait qu'un agent SIP (User Agent, UA)

joue habituellement à la fois les rôles de client et de serveur. C’est-à-dire qu'il

peut aussi bien envoyer des requêtes, que répondre à celles qu'il reçoit.

En pratique, la mise en place de SIP repose sur trois éléments : User Agent,

registrar et proxy.

User Agent : Les User Agents désignent les agents que l'on retrouve dans les téléphones SIP,

les softphones (logiciels de téléphonie sur IP) des ordinateurs et PDA ou les

passerelles SIP. En théorie, on peut établir des sessions directement entre

deuxUser Agents, deux téléphones par exemple. Mais cela nécessite de

connaître l'adresse IP du destinataire. Cela n'est pas l'idéal car une adresse IP

peut ne pas être publique (derrière un NAT) ou changer et elle est bien plus

compliquée à retenir qu'une URI. Les User Agents peuvent donc s'enregistrer

auprès de Registrars pour signaler leur emplacement courant, c’est-à-dire leur

adresse IP.

Registrar Le Registrar est un serveur qui gère les requêtes REGISTER envoyées par les

Users Agents pour signaler leur emplacement courant. Ces requêtes contiennent

donc une adresse IP, associée à une URI, qui seront stockées dans une base de

données.

25

Les URI SIP sont très similaires dans leur forme à des adresses email :

sip:utilisateur@domaine.com

Généralement, des mécanismes d'authentification permettent d'éviter que

quiconque puisse s'enregistrer avec n'importe quelle URI.

Proxy :

Un Proxy SIP sert d'intermédiaire entre deux User Agents qui ne connaissent pas

leurs emplacements respectifs (adresse IP). En effet, l'association URI-Adresse

IP a été stockée préalablement dans une base de données par unRegistrar. Le

Proxy peut donc interroger cette base de données pour diriger les messages vers

le destinataire.

26

Le Proxy se contente de relayer uniquement les messages SIP pour établir,

contrôler et terminer la session. Une fois la session établie, les données, par

exemple un flux RTP pour la VoIP, ne transitent pas par le serveur Proxy. Elles

sont échangées directement entre les User Agents.

Avantages

Ouvert : les protocoles et documents officiels sont détaillés et accessibles

à tous en téléchargement.

Standard : l'IETF a normalisé le protocole et son évolution continue par la

création ou l'évolution d'autres protocoles qui fonctionnent avec SIP.

Simple : SIP est simple et très similaire à HTTP.

P2P : sur un LAN, SIP fonctionne complètement en P2P (encore plus

facilement avec l'intégration de Zeroconf), ce n'est pas le cas pour

l'établissement de sessions entre deux pairs séparés par un NAT.

Flexible : SIP est également utilisé pour tout type de sessions multimédia

(voix, vidéo, mais aussi musique, réalité virtuelle, etc.).

Téléphonie sur réseaux publics : il existe de nombreuses passerelles

(services payants) vers le réseau public de téléphonie (RTC, GSM, etc.)

permettant d'émettre ou de recevoir des appels vocaux.

Points communs avec H323 : l'utilisation du protocole RTP et quelques

codecs son et vidéo sont en commun.

Inconvénients

SIP a énormément évolué au cours des dernières années sous la pression du

3GPP et de l’ETSI. Ils ont travaillé sur les évolutions de ces normes chacun de

leur côté et aujourd’hui, ils ne sont pas d’accord sur les trop nombreuses

extensions qui ont été préparées. La norme SIP est passée de 100 pages en

janvier 2002 à 1 100 en cinq ans (dans un ensemble de 80 documents). Dans ces

27

conditions, que veut dire l’expression : « SIP compatible » ? La mise en place

sur les composants et les matériels des nombreuses extensions de SIP (officielles

ou propriétaires) qui ont été créées se révèle coûteuse, complexe et exigeante en

mémoire et en consommation d’énergie.

D’autre part, la certification du protocole SIP n’a pas été mise en place et elle

serait de plus difficile à employer, car SIP ne sépare par les interfaces de réseau :

NNI (entre deux réseaux) et UNI (interface entre l’utilisateur et le réseau).

Enfin, il existe plusieurs versions de SIP pour des usages identiques. Or, si

l’usage du protocole se répand, les substituts à SIP sont nombreux.

Autres Inconvénients :

Basé sur l'adresse IP : SIP ne traverse pas les NAT, mais cela peut être

résolu en déployant des mécanismes client-serveur supplémentaires

comme STUN ou en couplant SIP avec Jabber.

Mauvaise implémentation : une mauvaise implémentation ou une

implémentation incomplète du protocole SIP dans les User Agents peut

perturber le fonctionnement ou générer du trafic superflu sur le réseau.

Existant : H323 (standard et ouvert) et Skype (propriétaire) bénéficient de

leur effet réseau respectif, bien que H323 tende à disparaître au profit de

SIP.

Présence et messagerie instantanée : SIP montre un certain nombre de

faiblesses dans la gestion de la présence et la messagerie instantanée, mais

l'intégration du standard ouvert spécialisé Jabber résout la plupart de ces

problèmes.

Faible nombre d'utilisateurs : SIP est encore peu connu et utilisé par le

grand public, n'ayant pas atteint une masse critique, il ne bénéficie pas de

l'effet réseau.

Comparaison des 2 protocoles

H323 SIP Complexité H.323 est limité à des conférences

multimédias, de sorte que la complexité du

système est limitée en conséquence. Aucun

système de communication n’est simple,

mais H.323 tente de définir clairement

l'ensemble des fonctionnalités de base que

tous les appareils doivent supporter.

SIP a été d'abord porté sur la

communication vocale, puis élargi à la

vidéo, le partage d'applications, la

messagerie instantanée, présence, etc.

Avec chaque ajout, la complexité

augmente et, malheureusement, il n'y a pas

de lignes directrices strictes quant à la

fonctionnalité que tout dispositif donné

doit prendre en charge. Cela conduit à des

systèmes plus complexes avec des

problèmes d'interopérabilité. Depuis SIP a

été «vendu» comme un simple protocole,

en dépit du fait qu'il n’est que simple en

apparence..

28

Fiabilité H.323 a défini un certain nombre de

fonctionnalités pour gérer l'échec des

entités réseau intermédiaire, y compris les

«GateKeepers alternatifs», «points de

terminaison de remplacement", et un

moyen de récupérer des échecs de

connexion.

SIP n'a pas défini des procédures pour les

cas de pannes des dispositifs. Si un proxy

échoue, l'agent utilisateur détecte cette

expiration par minuterie. Il est de la

responsabilité de l'agent utilisateur

d'envoyer un re-INVITE à un autre proxy,

ce qui entraîne de longs retards dans

l'établissement de l'appel

Media

Transport

RTP / RTCP , SRTP RTP / RTCP , SRTP

Capacité de

Négociation

Les entités H.323 permettent l'ouverture de

canaux audio, et/ou vidéo, et de canaux de

données. Les canaux individuels peuvent

être ouverts et fermés lors de l'appel sans

perturber les autres.

Les entités SIP ont des moyens limités en

ce qui concerne les échanges. La RFC

3407 est plus ou moins une "déclaration"

de mécanisme, et non une procédure de

négociation.

Vidéoconfére

nce

H.323 soutient pleinement la

vidéoconférence et les données. Des

procédures sont en place pour assurer le

contrôle de la conférence ainsi que la

synchronisation labiale des flux audio et

vidéo.

SIP a un support limité pour la vidéo mais

pas pour les protocoles de transfert de

données comme T.120. SIP n’a pas de

protocole de contrôle de la conférence et il

n'existe aucun mécanisme au sein de SIP

pour la synchronisation des lèvres. Il

n'existe aucun moyen de récupérer les

pertes de paquets dans un flux vidéo.

Codecs H.323 prend en charge n'importe quels

codecs, normalisés ou propriétaires.

Aucune autorité d’enregistrement n’est

nécessaire pour utiliser un codec dans

H.323.

SIP prend en charge n'importe quel codec

IANA enregistré ou autre.

Pare-feu /

prise en

charge NAT

Fourni par H.323 "proxy" ou par le point

de terminaison, à la fois en conjonction

avec un GateKeeper résidant dans le réseau

public. Reportez-vous à H.460.17,

H.460.18 et H.460.19. H.323 version 7

sortie en Novembre 2009, implémente de

nouvelles évolutions permettant le

dialogue entre équipement H.323 situés

derrières des NAT/FW.

SIP n'a pas défini de parcours à travers des

mécanismes de NAT / FW. Certaines

normes qui ont été définis ou sont en cours

de définition sont STUN, TURN, ANAT,

et ICE. (Ce travail en cours dure depuis

des années, et la plupart des solutions sont

viables).

Ports

minimum

pour l'appel

VoIP

3 (signalisation d'appel, RTP, RTCP et.) 3 (SIP, RTP, RTCP et.)

Authentificati

on

Oui, via le H.235. Oui, via le protocole HTTP (Digest et

Basic), SSL, PGP, S / MIME, ou divers

autres moyens

Chiffrement Oui, via le H.235 (y compris l'utilisation de

SRTP, TLS, IPSec, etc.)

Oui, via SSL, PGP, S / MIME, ou divers

autres moyens.

29

1-3) HSUPA (3.75G)

La release 6 est terminée en mars 2005. Cette version apporte le mécanisme de

HSUPA afin d'accroître le débit montant maximal, en théorie à 5.76 Mbps. La

combinaison de HSDPA et HSUPA s'appelle HSPA. De plus, les services de

MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Services) permettent de diffuser de

contenu en mode broadcast et multicast. Cette diffusion est utilisée souvent par

des applications telles que la télévision mobile.

Il est donc peu surprenant que HSUPA reprenne un certain nombre de principes

de base de HSDPA :

La technique de retransmission HARQ (Hybrid Automatic Repeat

Request). Comme pour HSDPA, les algorithmes HARQ sont

appliqués au plus bas niveau dans le réseau, entre le terminal et le

NodeB.

Un TTI réduit de 2 ms. A la différence de HSDPA, le TTI réduit de 2 ms

est optionnel. Le TTI de 10 ms est la seule valeur obligatoire.

Allocation des ressources par le Node B. Comme pour HSDPA, c'est le

NodeB qui est responsable de l'allocation des ressources, TTI par TTI.

Sur l'interface radio de l'UTRAN, les ressources de codes et de puissance sont

gérées de manière assez différente entre la voie montante et la voie descendante.

Pour cette raison, HSUPA n'utilise pas de canal partagé, à la différence de

HSDPA. Le canal de base mis en œuvre pour la transmission HSUPA est un

canal physique dédié et amélioré, ce qui autorise l'utilisation de techniques de

macro-diversité (ou Soft-Handover) pour les transmissions haut-débit.

Le partage des ressources de chaque cellule est en fait réalisé par les Node B, qui

vont moduler la puissance de transmission utilisable par chaque mobile en

fonction des demandes de ressources issues de ces mêmes mobiles.

la release 7 est terminée en juillet 2007. Cette version apporte des

améliorations sous le nom de HSPA+ pour HSPA. En théorie, HSPA+ permet

au débit descendant d'atteindre 42.2 Mbps, au débit montant d'atteindre 11.5

Mbps. Le troisième choix pour l'interface radio de type TDD a le débit chip

de 7,68 Mcps. La technique de CPC (Continuous Packet Connectivity ,

Connectivité permanente pour les utilisateurs des services paquets) est utilisée

pour diminuer l'interférence causée par des canaux «dedicated physical control

» lorsqu'il n’y a aucun utilisateur sur ces canaux. Cela permet au terminal de

s’éteindre après une période d'inactivité de ces canaux, donc de diminuer sa

consommation d'énergie.

30

1-3) LTE (3.9G)

La release 8 est en cours d’achèvement. Cette version apporte des

évolutions significatives d'UMTS sous le nom de LTE.

La release 8 est terminée avec des exigences de haute priorité et des

caractéristiques essentielles.

1- Introduction LTE (Long Term Evolution of 3G) est la norme de communication

mobile la plus récente qui est proposée par l’organisme 3GPP dans le

contexte de la 4G. Comme l’IEEE 802.16m, elle propose des débits élevés

pour le trafic temps-réel, avec une large portée. Théoriquement, le LTE peut

atteindre un débit de 50 Mb/s en lien montant et 100 Mb/s en lien descendant.

En réalité, l’ensemble de ce réseau s’appelle EPS (Evolved Packet System), et

il est composé des deux parties : le réseau évolué d’accès radio LTE, et le

réseau cœur évolué appelé SAE (System Architecture Evolution).

Le seul inconvénient de cette nouvelle technologie est l’installation de

ses nouveaux équipements qui sont différents de ceux des normes

précédentes, et le développement des terminaux adaptés.

2- Accès radio LTE Pour offrir des débits élevés, le LTE emploi la technologie OFDMA

(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) dans le sens descendant,

et le SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access) dans le

sens montant.

Le LTE respecte les délais requis par le trafic temps- réel.

Cette technologie prend en charge la mobilité des utilisateurs en exécutant le

Handover à une vitesse allant jusqu’à 350 km/h.

Le LTE a pris en charge l’interconnexion et l’interopérabilité avec les normes

2G et 3G, et les réseaux CDMA-2000.

Contrairement à la 3G qui nécessite d’allouer une bande de fréquence de 5

MHz, le LTE propose plusieurs bandes de fréquences allant de 1.25 jusqu’à 20

MHz. Cela lui permettra de couvrir de grandes surfaces.

3- Réseau cœur SAE Contrairement aux normes 2G et 3G qui proposent deux domaines de

commutation de circuit et de paquet, SAE ne propose qu’un seul domaine

paquet fondé sur l’IP et appelé EPC (Evolved Packet Core).

Il y a deux types de communication au niveau de SAE : Default

bearer qui est une connectivité permanente sans garantie de débit entre

un abonné et son réseau SAE

d’attachement ; et Dedicated bearer qui est une connectivité avec garantie de

débit et d’une certaine QoS dans le cas de l’utilisation d’un trafic temps-réel

31

sensible au délai.

4- Réseau global EPS En comparant avec les normes 2G et 3G, l’architecture de l’EPS est plus

simple. En particulier la nouvelle entité eNodeB remplace les fonctions des

deux composants NodeB et RNC définis dans la 3G.

L’EPS est composé de :

- UE : équipement utilisateur.

- eNodeB : responsable de la transmission et de la réception radio avec l’UE.

- MME (Mobility Management Entity) : MME est responsable de la gestion

de la mobilité et l’authentification des utilisateurs. Elle est responsable aussi

du Paging lorsque l’utilisateur est en état inactif. Elle sélectionne les

composants dédiés aux types de la communication de l’utilisateur. Elle gère le

Handover inter-domaines et inter-réseaux. Et enfin elle s’occupe de la

signalisation.

- Serving GW (Serving Gateway) ou UPE (User Plane Entity) : joue

le rôle d’une passerelle lors du Handover inter-domaines et inter-réseaux.

Responsable du routage des paquets.

- PDN GW (Packet Data Network Gateway) ou IASA (Inter-Access

System Anchor) : chargé de la mobilité entre différents systèmes, il est

composé de l’élément 3GPP Anchor qui permet d’exécuter la mobilité entre

LTE est les technologies 2G/3G, et l’élément SAE Anchor qui permet

d’exécuter la mobilité entre le système 3GPP et les systèmes non 3GPP

(WIFI, WIMAX, etc.). Sachant que l’élément SAE Anchor ne prend aucune

décision concernant la mobilité, il exécute seulement les décisions prises par

l’UE. Responsable de l’attribution des adresses IP aux utilisateurs.

- HSS (Home Subscriber Server) : base de données, évolution du HLR de

la 3G. Elle contient les informations de souscriptions pour les réseaux GSM,

GPRS, 3G et LTE...

- PCRF (Policy & Charging Rules Function) : fournit les règles de la

taxation.

- ePDG (Evolved Packet Data Gateway) : un élément réseau qui permet

l’interopérabilité avec le réseau WLAN en fournissant des fonctions de

routage des paquets, de Tunneling, d’authentification, d’autorisation et

d’encapsulation / décapsulation des paquets.

L’architecture du réseau EPS est présentée ci-dessous:

32

Figure 14. Architecture de l’EPS

6- Conclusion LTE est une technologie avancée de communication radio mobile qui

propose des débits d’ordre supérieur, et un bon niveau de QoS pour ses

abonnés. Elle est soutenue par les européens et proposée par l’organisme

3GPP qui a déjà fixé toute la gamme de la téléphonie mobile fondée sur le

monde des télécommunications. Dernièrement, et seulement en Europe, cette

technologie prise en charge surtout par Alcatel commence à prendre de

l’avance par rapport au WiMAX. Cependant, le déploiement à grande échelle

est freiné par le coup induit par l’incompatibilité avec les équipements UMTS

déjà fonctionnels.

2- Services de la téléphonie mobile

1.1. Services présents aux anciennes générations

Le GSM offre différents services en fonction des quatre catégories de qualité de

service(QoS) :

Catégorie conversationnelle (voix) ;

Catégorie de flux continu ou streaming (multimédia audio) ;

33

Catégorie interactive (WEB/WAP, jeux vidéo en ligne – GPRS/EDGE,

accès aux bases de données) ;

Catégorie d’arrière plan (email, SMS, téléchargement – GPRS/EDGE).

1.2. Tous les services proposés avec l’UMTS

L’UMTS offre différents services en fonction des quatre catégories de qualité

de service

Catégorie conversationnelle (voix, visiophonie) ;

Catégorie de flux continu ou streaming (multimédia, vidéo à la demande,

webcast) ;

Catégorie interactive (WEB/WAP, jeux vidéo en ligne, accès aux bases de

données) ;

Catégorie d’arrière plan (email, SMS, téléchargement).

1.3. Désignation des services proposés

Nous allons détailler l’ensemble de ces services pour les quatre catégories

décrites ci‐dessus.

NB : Les éléments en gras correspondent aux nouveautés de la technologie 3G.

Le schéma ci-après présente les différents services que propose l’UMTS

1.3.1. Catégorie conversationnelle

La voix : ce type de communication est le fondement de la téléphonie. Sans

voix, il n’y aurait

pas de téléphone. Inutile de décrire davantage son utilité.

La visiophonie : ce type de communication permet de voir le correspondant à

travers son combiné tout en discutant. La visiophonie nécessite néanmoins un

débit assez important comparé au débit de la voix.

1.3.2. Catégorie de flux continu ou streaming

Multimédia : ce service permet d’accéder à des contenus de types audio,

vidéo en streaming. Cela permet de regarder la TV, des films sans avoir à les

télécharger sur le mobile puis à les regarder (Remarque : possible avec le EDGE

aussi); le flux est mis en mémoire tampon et est lu directement. On notera

d’ailleurs pour la 3G, une modification de la connexion au WAP/WEB sur un

temps et non plus une quantité et un service

de TV HD (écran QVGA).

VoD (Vidéo à la Demande) : ce service permet à l’usager, à n’importe quel

moment, de pouvoir regarder le film de son choix. Ce service existe sur les

connections internet de type Home, et, grâce à l’augmentation des débits, sur le

portable avec l’UMTS.

34

Webcast : ce service n’est autre que l’envoi des services multimédia en

streaming. Il est difficilement gérable de son mobile. Le flux provient de

serveurs WEB. Ce service n’est autre que du monitoring.

1.3.3. Catégorie interactive

WEB/WAP : ce service permet d’accéder à l’internet mobile et l’internet pc.

Jeux vidéo en ligne : ce service permet de jouer contre ou avec d’autres

adversaires en ligne. Ce service est similaire aux services développés pour les

salles de jeux en réseaux et les jeux du type Warcraft .

Accès aux bases de données : ce service permet d’accéder aux bases de données

du monde entier depuis son mobile.

1.3.4. Catégorie d’arrière-plan

Email : ce service permet d’envoyer et de recevoir ses emails depuis votre

mobile. Il est nécessaire de disposer d’un compte messagerie internet pour

pouvoir y avoir accès.

SMS : pour Short Message Service, ce service permet d’envoyer des mini

messages à n’importe quel numéro mobile, et, depuis quelque temps, à

n’importe quel numéro fixe aussi.

Téléchargement : ce service permet d’obtenir n’importe quel fichier depuis le

WEB ou le WAP pour l’enregistrer sur votre mobile.

3- L’objectif de 3G

L’objectif de la troisième génération de réseau mobile est de fournir des commu

nications

mobile au débit haut qui permet le multimédia, les données et le vidéo à côté de

la voix. Les capacités de réseau 3G sont définies par ITU comme ci-dessous:

• La qualité de la voix est comparable avec celle de système de téléphone fixe.

• Le débit de données est 144 kbps avec les véhicules mobile à grande vitesse.

• Le débit de données est 384 kbps avec les piétons.

• Le débit de données est 2048 Mbps avec les stations fixes.

• Le débit de la transmission de données symétrique et asymétrique.

•Le support de tous les 2 services de données: commutation de circuit et de

paquets.

•Un interface avec Internet pour refléter l’asymétrie commun entre le trafic

d’entrée et le trafic de sortie.

• Le support de plusieurs d’équipement mobile.

• L’utilisation efficace le spectre de fréquences disponibles.

Le réseau 3G utilise la technique d’accès CDMA. Quelque standards de

interface de réseau 3G sont W­CDMA, cdma2000, TD­CDMA.

35

4-Plan de fréquence de 3G

Le schéma ci-dessous présente le plan de fréquence de la téléphonie de 3ème

génération en Europe, Japon et Etats-Unis :

Figure 15. Plan de fréquence de 3G

5-- Hierarchie des cellules de 3G

Tout comme le réseau GSM, l’UMTS est divisé en plusieurs cellules de

tailles variables. Chacune d’entre elles est présente en fonction de la densité de

population à servir et de la vitesse de mobilité. L’accès par satellite est une

extension.

Figure 16. Hierarchie des cellules de 3G

Une pico-cellule permet des débits de l’ordre de 2 Mbits/s lors d’un

déplacement de l’ordre de 10 km/h (marche à pied, déplacement en intérieur)

Une micro-cellule permet des débits de l’ordre de 384 kbits/s lors d’un

36

déplacement de l’ordre de 120 km/h (véhicule, transports en commun, etc.).

Une macro-cellule permet des débits de l’ordre de 144 kbits/s lors d’un

déplacement de l’ordre de 500 km/h (Train à Grande Vitesse, etc.).

6- Fonctionnement du W-CDMA

L'interface radio de l'UMTS se base sur le W-CDMA (Wideband Code Division

Multiple Access). Cependant, le W-CDMA se base sur une technique plus

ancienne qui est le CDMA (Code Division Multiple Access). Afin de

comprendre les concepts du W-CDMA, il est important de comprendre la

technique du CDMA.

Techniques d’accès TDMA, FDMA et CDMA.

Afin de permettre aux différents usagers mobiles d’accéder au réseau, il est

nécessaire de partager les ressources radio. Il existe trois principales

techniques de partage des ressources, autrement appelées Accès Multiple :

Le partage en fréquence FDMA (Frequency Division Multiple Access, figure a)

Le partage en temps TDMA (Time Division Multiple Access, figure b)

Le partage en code CDMA (Code Division Multiple Access, figure c)

Figure 17. Techniques d’accès

L’accès CDMA se distingue des deux précédents par son approche radicalement

différente du problème et sa complexité. En effet, alors que les accès FDMA et

37

TDMA se font respectivement par répartition fréquentielle et temporelle entre

les différents utilisateurs, l’accès CDMA attribue à chacun un codage

particulier qui permet l’accès simultané sur les

mêmes bandes de fréquences (cf. figures a, b et c).

Le Mode TDD

En TDD, une seule et unique fréquence est utilisée alternativement par les

deux voies de communications. Ce mode utilise une technique d’accès multiple

mixte TD/CDMA contenant une composante TDMA et une composante

d’étalement de spectre à l’intérieur des intervalles de temps avec séparation par

codes.

Le Mode FDD

En FDD, chaque sens de communication (mobile vers le réseau et réseau

vers mobile) utilise deux fréquences radio séparées. Le mode FDD utilise le

concept W-CDMA (Wideband CDMA). Il s’agit d’une technique d’accès

multiple par répartition de code

CDMA

Le CDMA (Code Division Multiple Access) est utilisé dans de nombreux

systèmes de communication. Il permet d’avoir plusieurs utilisateurs sur une

même onde porteuse. Les transmissions sont numérisées, dites à étalement de

spectre. L’étalement du spectre rend le signal moins sensible aux fluctuations

sélectives en fréquence. Le signal est ainsi transmis sur une bande de fréquences

beaucoup plus large que la bande de fréquences nécessaire.

Les avantages : Efficacité spectrale

Sécurité de la transmission : le signal codé est détectable comme étant du bruit.

Handover

Gestion du plan de fréquences

Concentration de trafic

Le W-CDMA

Le W-CDMA se base sur le CDMA mais utilise une bande passante plus large

ce qui implique des débits supérieurs.

Le W-CDMA propose deux types de multiplexage : le FDD (Frequency

Division Duplex) et le TDD (Time Division Duplex).

Le multiplexage de type FDD utilise une bande passante de 5 Mhz pour le débit

descendant, et une bande passante de 5 Mhz pour le débit montant. Le débit

maximal supporté par un seul code est de 384 kbit/s. Afin de pouvoir supporter

un débit de 2 Mbit/s, plusieurs codes sont nécessaires.

Le multiplexage de type TDD n'utilise qu'une seule bande passante de 5 Mhz

divisée en portions de temps (time slot) utilisables aussi bien pour le débit

38

montant que pour le débit descendant. Elle comprend donc une composante

TDMA (Time Division Multiple Access) en plus de la séparation par code. Cela

permet d’obtenir une large gamme de débits de services en allouant plusieurs

codes ou plusieurs intervalles de temps à un utilisateur.

Les avantages du WCDMA

En comparaison avec les systèmes 2G, le WCDMA a de nombreux atouts dont

les principaux sont :

- Moins de risque de perturber des systèmes à bande étroite travaillant dans la

même gamme de fréquence,

- Meilleure sécurité : le signal, codé par une séquence connue seulement de

l'émetteur et du récepteur, a l'allure d'un bruit inintelligible.

- Moindre sensibilité aux interférences extérieures, les brouilleurs étant réduits

lors du désétalement,

- Possibilité de partage de la bande par plusieurs émetteurs, ce qui évite le

multiplexage par temps du GSM et permet un meilleur débit ; de plus, le débit

peut être variable, ce qui est beaucoup plus flexible qu'une division temporelle.

- Possibilité d'utiliser les mêmes ondes porteuses même sur des cellules voisines.

6) Gestion de la mobilité

Mode non connecté

Prévient lors du changement de zone

Nouveau VLR interroge l’ancien VLR

IMSI + Vecteur d’authentification

Nouveau HLR interroge l’ancien HLR

Informations des services souscrits

Nouveau TMSI alloué

Prévient de sa présence ponctuellement

Mode connecté

. Le handover

Le handover gère la mobilité des usagers. Notons que les terminaux mobiles

et les stations de base utilisent plusieurs récepteurs à corrélation qui forment

un récepteur de Rake pour récupérer le maximum d'énergie du signal sur les

différents trajets empruntés et éventuellement sur les différentes antennes.

Différents types de handover existent suivant la position de l'usager mobile dans

la cellule : soft handover, softer handover ou hard handover.

Un soft handover survient entre deux cellules ou deux secteurs qui sont supportés

par différents Node B. L'UE transmet ses données vers différents Node B

simultanément et reçoit des données de ces différents Node B simultanément.

Dans le sens descendant, les données utilisateur délivrées à l'UE sont émises par

39

chaque Node B simultanément et sont combinées dans l'UE. Dans le sens

montant, les données utilisateur émises par l'UE sont transmises à chaque Node B

qui les achemine au RNC où les données sont combinées.

Un hard handover survient dans différentes situations, telles que entre cellules

utilisant des fréquences différentes (handover inter-fréquences) ou entres cellules

rattachées à des RNCs différents sans que ceux-ci disposent d'une interface Iur

entre eux ou lors d'un handover FDD/TDD puisque l'UE ne peut utiliser qu'une

technologie d'accès à un instant donné. Le hard handover est aussi réalisé dans le

cas d'un handover entre une cellule UMTS et une cellule GSM/GPRS (handover

inter-système). Au début du déploiement des réseaux UMTS,

les handovers vers le GSM seront nécessaires pour assurer une couverture

continue.

Dans tous les cas, la décision de handover est prise par le Serving RNC, sur la

base des mesures radio qui lui sont rapportées par l'UE.

Comme pour le GSM, il existe différents types de handover en UMTS.

• Handover Intra-Cellulaire (softer handover) : Il s'agit du cas où le mobile ne

change pas de cellule, mais change de fréquence/code.

• Handover inter-cellulaire, intra-Node B : La session radio est transférée d'une

cellule à une autre, les deux étant sous la responsabilité du même Node B. Dans le

cas, d'un Node B fonctionnant en dual mode, le handover intra Node B inclut le

changement de mode (TDD↔FDD). Ce type de handover peut être un soft ou

hard handover.

• Handover inter-Node B, intra-RNC : Ce type concerne un changement de Node

B. Ce type de handover peut être soft ou hard.

• Handover inter-Node B, inter-RNC avec interface Iur : Il s'agit d'un changement

de cellules sous le contrôle de différents RNC. Ce scénario nécessite deux

procédures, celle de handover et celle de "SRNS Relocation". Ce type de

handover peut être soft ou hard.

• Handover inter-Node B, inter-RNC sans interface Iur : Il ne peut être réalisé qu'à

travers un hard handover.

• Handover Inter-CN : Il s'agit d'un changement de cellules appartenant à des

réseaux de base différents (e.g., inter-PLMN handover). Il ne peut être réalisé qu'à

travers un hard handover.

• Handover Intra-CN (UTRAN-GSM/GPRS) : Il s'agit d'un handover entre

l'UTRAN et une BSS GSM/GPRS. Il ne peut être mis en oeuvre que par un hard

handover. Comme, il n'existe pas d'interface entre l'UTRAN et la BSS, ce type de

handover est donc pris en charge par le réseau de base comme un handover inter-

BSC dans le réseau GSM.

40

Le contrôle de puissance

Comme nous l'avons vu précédemment, il faut s'assurer qu'à la réception le

rapport Eb/N0 est supérieur à un certain seuil critique pour assurer le

décodage du signal reçu. Pour cela,l’émetteur (le mobile ou la station de base)

peut augmenter sa puissance d’émission. Le but du contrôle de puissance est de

veiller à ce que chaque mobile ou chaque station de base envoie le minimum de

puissance nécessaire pour que le rapport Eb/N0 soit au niveau du seuil requis.

Ceci améliore la capacité du système en minimisant les interférences. Une autre

utilité du contrôle de puissance est de palier aux fluctuations de puissance dues

aux pertes dans le milieu extérieur.

Les deux types de contrôle de puissance utilisés dans les systèmes fondés sur

le CDMA sont le contrôle de puissance en boucle ouverte OLPC (Open

Loop Power Control) et le contrôle de puissance en boucle fermée CLPC

(Closed Loop Power Control).

Le contrôle de puissance en boucle ouverte

Ce type concerne uniquement le mobile (sens montant) et son but est de

déterminer le niveau de puissance du signal à transmettre avant de rentrer en

communication avec la station de base. Ce niveau de puissance est calculé en

fonction de l'affaiblissement de parcours ou pathloss mesuré dans la voie

descendante sur des canaux définis dans ce but par le réseau. Le contrôle de

puissance en boucle ouverte permet de compenser des évanouissements à

long terme (affaiblissement de parcours du à des distances importantes

entre l'émetteur et le récepteur) et, en particulier, les évanouissements dus au

phénomène de l'effet de masque ou shadowing (évanouissement du à la

présence d'obstacles tels que des arbres, des collines ou des immeubles).

Une très forte hypothèse prise en compte dans le contrôle de puissance en

boucle ouverte est de considérer que les évanouissements dans les voies

montante et descendante sont identiques. Or, en mode FDD où la voie

descendante et la voie montante se trouvent dans des fréquences différentes, ce

type de contrôle de puissance n'est pas très efficace pour compenser les effets

des évanouissements rapides car ces derniers dépendent de la fréquence

porteuse du signal de transmission et de la vitesse du mobile. En effet, les

évanouissements rapides sont caractérisés par des variations rapides de la

puissance du signal dans des intervalles de temps assez courts, et ils trouvent

leur origine dans les réflexions du signal transmis sur les différents obstacles et

dans la vitesse relative entre le mobile et la station de base. Cela entraîne une

dégradation de type effet doppler avec un décalage en fréquence.

Le contrôle de puissance en boucle fermée

Le contrôle de puissance en boucle fermée est utilisé dans le but de

compenser les évanouissements rapides. Il est appelé à boucle fermée puisque,

41

à la différence du contrôle de puissance en boucle ouverte, le récepteur

concerné calcule des commandes de contrôle et les envoie à la source

émettrice pour que celle-ci règle sa puissance d'émission.

Une fois que le mobile a établi un lien de communication avec la station de

base, le contrôle de puissance en boucle fermée est activé. Dans la voie

montante, la station de base mesure de manière permanente la qualité du signal

en termes du rapport Eb/N0. Si la qualité du signal est en dessus de la valeur

Eb/N0 cible, la station de base envoie une commande sur le canal

descendant au mobile pour lui demander de réduire la puissance d'émission. Par

contre, si la qualité du signal est en dessous de cette valeur, la station de

base demande au mobile d'augmenter la puissance d'émission. Ces

informations sur l’ajustement des puissances d’émission sont transmises à

chaque time slot soit toutes les 0.67 ms via le canal de contrôle dédié.

Conclusion

L’UMTS permet des améliorations substantielles par rapport au GSM,

notamment :

un accès plus rapide à Internet depuis les téléphones portables, par un

accroissement significatif des débits des réseaux de téléphonie mobile

une amélioration de la qualité des communications en tendant vers une

qualité d’audition proche de celle de la téléphonie fixe

de concevoir une norme compatible à l’échelle mondiale, contrairement

aux technologies actuelles (les normes utilisées aux États-Unis et au Japon

ne sont pas toutes compatibles avec le GSM)

de répondre au problème croissant de saturation des réseaux GSM,

notamment en grandes villes

42

III- Etude de 4G 1-Introduction

Toujours en cours de recherches et de standardisation, le réseau 4G (4ème

génération) est proposé comme future génération des réseaux mobiles après la 3G. Ce réseau a également pour objectif d’abolir les frontières de la mobilité. Avec le réseau 4G, un utilisateur pourra se connecter où qu’il se trouve : à l’intérieur des bâtiments avec les technologies Bluetooth, UWB ou WiFi…, à l’extérieur (dans la rue et les lieux publics) avec l’UMTS ou le WiMAX… En général, le passage d’un réseau à l’autre deviendra transparent pour l’utilisateur. Les débits supposés sont entre 20 et 100 Mb/s à longue portée et en situation de mobilité, et1 Gb/s à courte portée vers des stations fixes. Par définition, la 4G assure la convergence de la 3G avec les réseaux de communication radio fondés sur le protocole IP. La connexion devra être possible quel que soit le mode de couverture. L'institution internationale de standardisation ITU (Union Internationale des Télécoms) n'a toujours pas donné de définition à la 4G.

2- Buts de la 4G

La 4ème génération vise à améliorer l’efficacité spectrale et à augmenter la capacité de gestion du nombre de mobiles dans une même cellule. Elle tente aussi d’offrir des débits élevés en situation de mobilité et à offrir une mobilité totale à l’utilisateur en établissant l’interopérabilité entre différentes technologies existantes. Elle vise à rendre le passage entre les réseaux transparent pour l’utilisateur, à éviter l’interruption des services durant le transfert intercellulaire, et à basculer l’utilisation vers le tout-IP. Réseau WiMAX 1- Introduction

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) est une solution pour des réseaux MAN sans fil. En utilisant un accès WiMAX, on peut atteindre théoriquement un débit jusqu´à 70 Mb/s avec une distance de 50 km. WiMAX se sert de la technologie micro onde avec plusieurs bandes de fréquences. Par rapport au modèle OSI, IEEE 802.16 se focalise comme tous les standards IEEE sur les couches 1 et 2. WiMAX prend en charge les transferts de type ATM et IP. Pour cela il utilise une sous- couche de convergence qui permet la conversion des informations afin de les rendre exploitable par la couche MAC.

43

WiMAX couvre des zones géographiques importantes sans la contrainte d'installation d’infrastructures coûteuses pour faire parvenir la connexion jusqu'à l'utilisateur. Le premier élément de l'architecture WMAN est la station de base (BS) qui couvre une certaine zone géographique où se situent des utilisateurs immobiles ou en mouvement relativement lent qui communiquent avec la BS selon le principe du point à multipoint. Ce réseau peut fournir des débits importants et un passage à l’échelle en raison des capacités de canal flexibles. Il offre une couverture importante, des services avec des exigences de QoS, ainsi qu'une sécurité importante. Le standard 802.16 couvre l’utilisation des bandes de fréquences de 10 à 66 GHz. 2- QoS dans le WiMAX

Le WiMAX a été conçu dès le début pour prendre en charge la Qualité de Service (QoS). La couche MAC permet de différencier deux classes de stations d’abonnées (SS): - GPC (Grant per Connection) : Où le débit est alloué explicitement par la BS à une connexion, et la SS emploie les ressources seulement pour cette connexion. - GPSS (Grant per SS) : Où l'allocation de débit par la BS est faite par station d'abonné SS. Elle va ensuite répartir ses ressources entre les différentes connexions.

Le WiMAX propose des classes de services pour offrir une QoS différente entre les communications. Les classes de QoS sont : - Unsollicited Grant Service (UGS) : Ce type de service est utilisé pour des flux temps réel générant des paquets de taille fixe et de façon périodique comme de la transmission de voix sans suppression de silences. - Real-Time Polling Service (rtPS) : Ce service concerne les flux temps réel générant périodiquement des paquets de taille variable comme de la vidéo encodée en MPEG. - Non-Real-Time Polling Service (nrtPS) : Ce service est conçu pour les flux ne nécessitant pas de temps réel, utilisant des paquets de taille variable, comme du transfert de fichiers (FTP) à haut débit. - Best Effort (BE) : Ce service est le plus simple de tous, il est utilisé pour tous les flux ne nécessitant pas de qualité de service particulière.

3- WiMAX mobile

44

3-1 Introduction Le WiMAX mobile (Standard IEEE 802.16e) est la version qui apporte la

mobilité au WiMAX fixe tout en restant interopérable avec celui-ci. A partir d'une station de base (BS) vers des clients mobiles (MS) se déplaçant à moins de 120 km/h en passant d’une antenne à l’autre, l’IEEE 802.16e prévoit la transmission de données à des débits allant jusqu'à 30 Mb/s sur une zone de couverture d'un rayon inférieur à 3,5 km. Pour bénéficier des services de cette technologie, les équipements mobiles devront intégrer un composant dédié. Au niveau de l'interface physique, IEEE 802.16e utilise la méthode d’accès OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) qui permet d'adapter les canaux de manière dynamique. 3-2 Architecture du WiMAX mobile

L’architecture du WiMAX mobile est composée de terminaux mobiles (MS) qui communiquent via un lien radio avec une station de base (BS) qui joue le rôle d’un relais avec une infrastructure terrestre fondée sur le protocole IP. Les BSs sont connectées à un élément du réseau appelé ASN-GW utilisé comme passerelle (Gateway) pour gérer le raccordement des BSs avec le réseau IP. L’IEEE 802.16e est composé aussi du NAP (Network Access Provider) qui est l’entité responsable de fournir l’infrastructure nécessaire pour l’accès radio à un ou plusieurs fournisseurs de services. Elle contrôle un ou plusieurs ASN (Access Service Network) qui est formée d’une ou plusieurs BS, et d’un ou plusieurs ASN-GW. La dernière composante de l’IEEE 802.16e est le NSP (Network Service Provider). Cette entité fournit l’accès au réseau IP et offre aux abonnés l’accès aux services réseau. Le NSP contrôle un ou plusieurs CSN (Connectivity Service Network) qui est le cœur du réseau WiMAX. Les fonctions des différents éléments formant l’architecture du réseau WiMAX mobile sont décrites ici : • Network Access Provider (NAP) : Une entreprise qui fournit l'infrastructure d'accès radio à un ou plusieurs fournisseurs de services de réseau. • Network Service Provider (NSP) : - Une entité qui fournit la connectivité IP et les services réseau aux abonnés compatibles avec le niveau de service établi. Pour fournir ces services, un NSP établit des ententes contractuelles avec un ou plusieurs programmes d’action nationaux. - Un NSP peut également établir des accords de Roaming avec d'autres

45

fournisseurs de services réseau et des ententes contractuelles avec des tiers fournisseurs de l'application (par exemple ASP) pour fournir des services IP aux abonnés. • Connectivity Serving Network (CSN) : Représentation logique des fonctions du NSP, par exemple : - Raccordement à Internet. - Authentification, autorisation et gestion. - Gestion de l’adresse IP. - Mobilité et Roaming entre ASNs. - Gestion de la politique et de la QoS fondée sur le SLA (Service Level Agreement). Elle contient des éléments de gestion comme le DHCP, l’AAA, l’HA, etc. • Access Serving Network (ASN) : Représentation logique des fonctions du NAP, exemple : - Interface d’entrée au réseau 802.16. - Gestion des ressources radio et contrôle d’admission. - Gestion de la mobilité. - QoS et politique de renforcement. - Acheminement pour la sélection de CSN. Elle contient une ou plusieurs stations de bases responsables de la communication avec les abonnés, et un ou plusieurs ASN-GW qui constituent une passerelle qui assure la connexion des BSs avec le CSN. • ASN Gateway (ASN GW) : Elément du réseau WIMAX qui agit comme une entité logique dans le système WIMAX. Il sert à représenter une agrégation du plan de contrôle des entités fonctionnelles avec la fonction correspondante dans l’ASN ou la fonction résidente dans le CSN, ou une autre fonction dans l’ASN.

Fonctionnalités de l’ASN GW : Gère la mobilité, le Handover (transfert intercellulaire) et le forwarding. Il agit comme une passerelle. Il contrôle les ressources radio. Il renforce la QoS et la classification des fonctions et se charge de la gestion et de la sécurité.

Fonctions de l’ASN-GW : Gestion de localisation et du Paging. Serveur pour la session réseau et le contrôle de la mobilité. Contrôle d’admission et mise en cache des profils d'abonnés, et des clés de chiffrement. AAA (Authentification Authorization Accounting) client/proxy. Fournit les fonctionnalités de l’agent étranger. Routage IPv4 et IPv6 pour sélectionner le CSN.

46

• La station de base : Située dans l’ASN et responsable de la communication sans fil avec les abonnés. • Les terminaux d’abonnés : Sont des équipements spéciaux équipés d’une carte WiMAX qui permet la communication avec ce réseau. Ils sont situés dans la zone de couverture d’une BS pour pouvoir communiquer avec cette dernière.

L’architecture de l’IEEE 802.16e est illustrée ci-après :

Figure 18. Architecture du WiMAX mobile

3-4 Mobilité dans l’IEEE 802.16e

Fonctions relatives au déplacement du MS

Il y a trois fonctions principales de gestion du déplacement de la station mobile :

- Data Path : prend en charge la configuration du chemin et la transmission des

données.

- MS Context : s’occupe de l’échange des informations relatives au MS dans le

réseau cœur.

- Handover : c’est la fonction la plus intéressante, elle s'occupe de la

signalisation et prend les décisions relatives au passage entre les cellules.

Handover de niveau 2 (ASN Anchored Mobility Management)

47

Mobilité Intra-ASN (entre BSs de même ASN / Handover de couche 2 du

modèle OSI) :

- Micro mobilité.

- Pas de mise à jour de l’adresse IP. Deux types de Handover :

- Hard Handover : Début du nouveau service avec la nouvelle BS après la

déconnexion avec l’ancienne BS (délai d’arrêt). La station communique avec

une seule BS.

- Soft Handover : Début du nouveau service avec la nouvelle BS avant la

déconnexion avec l’ancienne BS (pas de délai d’arrêt). La MS communique

avec plusieurs BSs en même temps, et maintient une liste de BSs active set. Il

propose deux techniques : le MDHO et le FBSS.

Figure 19. Intra-ASN Handover

Les différentes étapes d’un Hanter sont les suivantes :

1) Sélection de la cellule : une MS doit d’abord acquérir des

informations sur les BSs dans le réseau. Ces informations servent à

déterminer si un Handover est possible ou non. Cela peut se produire soit en

utilisant les informations déjà connues sur le réseau, soit en exigeant un

scrutation (scan).

2) Décision et initialisation du Handover : c’est la procédure de

migration d’une MS à partir de l’ancienne BS vers la BS cible. La décision

peut être déclenchée par la MS ou par la BS.

3) Synchronisation en voie descendante avec la BS cible : la

synchronisation est obligatoire pour établir la communication. Durant cette

phase, la MS reçoit les paramètres de transmission en voie montante et

descendante. Si la MS a obtenu auparavant ces paramètres de la même BS, la

procédure peut être raccourcie.

4) Ranging : lorsque la MS est synchronisée avec la nouvelle BS, il faut

commencer la procédure de Ranging qui consiste en la réception de la MS

48

des bons paramètres de la communication (exemple : décalage temporel,

puissance du signal, etc.).

5) Résiliation de service : l’ancienne BS termine la connexion associée à la MS

qui vient de migrer vers une autre BS et supprime toutes les informations de sa

file d’attente.

6)Annulation de Handover : durant le processus de Handover, la MS a

le droit d’annuler la procédure et de reprendre la communication avec

l’ancienne à condition qu’elle ne l’ait pas annulée.

Handover de niveau 3 (CSN Anchored Mobility Management) Mobilité Inter-ASN (entre BSs de différentes ASN / Handover de couche 3 du

modèle OSI)

- Macro mobilité.

- Mise à jour de l’adresse IP.

- Fondée sur MIP : Proxy MIP (PMIP) ou Client MIP (CMIP)

(nous reviendrons ultérieurement sur la description de ces protocoles).

Figure 20. Inter-ASN Handover

3-5 IEEE 802.16m IEEE 802.16m est une amélioration du WiMAX (802.16-2004) et du

WiMAX mobile (802.16e) assurant la compatibilité avec les deux systèmes.

Les débits théoriques proposés par cette version atteignent 100 Mb/s en

situation de mobilité, et à 1 Gb/s quand la station abonnée est fixe. Le système

802.16m peut opérer dans des fréquences radio inférieures à

6 GHz. IEEE 802.16m utilisera la technologie MIMO (Multiple Input /

49

Multiple Output) comme le Mobile WiMAX en proposant d’améliorer la

technologie d'antenne pour obtenir une bande passante plus grande. On peut

voir le 802.16m comme une technologie qui profite des avantages de la 3G et

du 802.16 pour offrir un ensemble de services à très haut débit (Streaming

vidéo, IPTV, VoIP).

L’IEEE 802.16m gardera la même architecture et la même pile protocolaire que

le 802.16e.

3-6- Conclusion Le WiMAX fixe (IEEE 802.16) est une technologie radio de longue

portée qui offre un bon niveau de QoS pour un nombre limité de stations

d’abonnés fixes. La version mobile du WiMAX (IEEE 802.16e), est une

technologie prometteuse qui offre une certaine QoS pour des terminaux

mobiles qui se déplacent à une vitesse maximale de 120 km/h. La portée, ainsi

que les débits offerts par cette technologie dépendent de l’environnement

des utilisateurs (zone rurale ou urbaine…). Enfin, la version la plus évoluée

de la gamme WiMAX (IEEE 802.16m) toujours en cours de recherche, est

une technologie qui est prévue offrir des débits d’ordre supérieur avec un bon

niveau de QoS. Cette technologie devra assurer aussi la rétro- compatibilité

entre le WiMAX fixe et mobile.

Actuellement dans le monde, le WiMAX commence à être déployé surtout

aux Etats-Unis, vue que c’est une technologie Américaine proposée par

l’organisme IEEE. Il commence aussi à être déployé dans quelques pays de

l’Asie. Et il est peu déployé en Europe.

IV- Comparaison entre 3G et 4G

Le tableau ci-dessous présente une comparaison entre les technologies de 3G

et 4G

3G 4G

Débit de données: Jusqu'à 3.1Mbps Pratiquement parlant, de 3 à 5

Mbps, mais le potentiel estimé à une

gamme de 100 à 300 Mbps.

Correction

d'erreurs (FEC):

3G utilise des codes

Turbo pour la

correction d'erreur.

Codes concaténés sont utilisés pour

des corrections d'erreur dans la 4G.

Bande de 1.8 - 2.5GHz <6GHz

50

V- La faisabilité de 3G au Maroc

Au Maroc, quiconque souhaiterait s’affranchir de la souffrance d’une connexion

Internet via une clé 3G, se dirige vers une option : obtenir un abonnement

ADSL. Problème : il n’a pas le choix, et doit obligatoirement s’orienter vers

Maroc Telecom.

Alors qu’on assiste à un environnement de plus en plus concurrentiel sur le

segment de la téléphonie mobile, l’accès ADSL reste le parent pauvre de la

concurrence des acteurs de télécommunication au Maroc. Des efforts marqués

ont été déployés ces 2 dernières années pour faire baisser les prix des

communications mobiles prépayées et post-payées. L’ANRT situe la baisse du

prix moyen de 1,12 DH /min à 0,74 DH / min, soit -34% en à peine un an !

Pourquoi le segment ADSL reste-t-il aussi fermé à la concurrence ? De

nombreuses raisons pourraient l’expliquer. Tout d’abord, hormis des

infrastructures de fibre optique détenues par Méditel et Wana, Maroc Telecom

reste le seul opérateur à détenir un réseau fixe au pays. Et ceci pour des raisons

historiques évidentes. Du temps des PTT et de l’ONPT, le seul moyen

d’acheminer le téléphone aux foyers marocains était la bonne vieille paire de

cuivre classique. Maroc Telecom continue de gérer ce réseau et de l’étendre,

mais d’une manière beaucoup plus lente que les réseaux mobiles.

Pour éviter que les opérateurs historiques n’aient le monopole sur l’ADSL

(technologie qui ne peut transiter que sur réseau fixe), les régulateurs ont

instauré une pratique très commune dans d’autres coins du Globe : le

fréquence:

Services et

applications:

CDMA 2000, UMTS,

EDGE, etc

Wimax 802.16m

Architecture du

réseau:

Cellule Wide Area

Basé

Intégration de LAN sans fil et large

zone.

Pic Upload Rate: 50 Mbit / s 500 Mbit / s

Taux maximales

de

téléchargement:

100 Mbit / s 1 Gbit / s

technique de

commutation:

commutation de

paquets

commutation par paquets,

commutation de messages

51

dégroupage. Tout opérateur qui souhaite commercialiser des offres ADSL doit

s’acquitter auprès de l’opérateur historique (à qui appartient le réseau fixe)

d’une redevance qui correspond à un « loyer » de la ligne fixe. Ce dégroupage

peut être partiel, si l’abonné choisit d’avoir un abonnement téléphonique

classique avec l’opérateur historique et un autre abonnement ADSL avec un

opérateur différent, ou total si l’abonné choisit de ne plus payer aucun

abonnement à l’opérateur historique.

L’équation est alors simple pour un opérateur ADSL. Si le prix de la redevance

est suffisamment bas pour permettre de proposer un abonnement ADSL à prix

attractif, le jeu en vaut la chandelle. Sinon, l’opérateur préfère proposer d’autres

solutions à ses clients pour accéder à Internet.

Et c’est justement la voie suivie par Méditel et Wana. La redevance (fixée par

l’ANRT) à payer à Maroc Telecom est jugée trop élevée. Celle-ci est de 100 Dh

HT par mois à payer par l’opérateur ADSL à Maroc Telecom. Ces opérateurs se

sont donc tournés massivement vers la technologie 3G qui permet d’offrir des

débits relativement élevés pour des réseaux mobiles, mais sans atteindre le

confort d’utilisation qu’offre l’ADSL.

Une autre raison explique le succès de la 3G au Maroc : la faible pénétration des

réseaux fixes. Il est de l’ordre de 11% à fin 2011, ce qui reste très faible pour un

pays du niveau de développement du Maroc. Méditel et Wana (et même Maroc

Telecom) ont donc préféré parier sur la 3G, plutôt que d’équiper de nouveaux

foyers en réseaux fixes. Les investissements peuvent être lourds, et le retour sur

investissement pas du tout certain.

En attendant l’arrivée de la 4G au Maroc, les réseaux 3G continueront à être

saturés.

Le service 4G de l’operateur Inwi

Après de récents tests jugés concluants, l’opérateur Inwi serait sur le point de

lancer son service Internet 4G. Dès le mois de décembre (janvier, pour les

sources les moins optimistes), l’évolution du système 3G devrait être

accessible au grand public.

Les avantages pour les utilisateurs

L’utilisation d’un réseau 4G pour les connexions Internet devrait permettre une

augmentation spectaculaire des vitesses de téléchargements. Ces dernières

devraient autoriser la diffusion de vidéo en haute qualité et offrir aux habitants

des régions rurales un véritable accès à l’internet haute vitesse.

Concrètement : dans les pays où les services Internet 4G sont déjà employés, les

vitesses de téléchargement annoncées par les opérateurs vont de 21Mbps à

42Mbps soit plus de 10 fois plus rapides que les classiques clés 3G en

circulation chez nous. Si on devait atteindre de telles vitesses, la 4G aurait de

quoi « ringardiser » les meilleures connexions ADSL actuelles.

52

VI-conclusion

Pour conclure, il est clair que, tôt ou tard, tous les réseaux téléphoniques seront

capables de proposer une connectivité 4G d’envergure. Néanmoins, ce n’est pas

le cas aujourd’hui. Renseignez-vous donc des possibilités et limitations de votre

fournisseur d’accès avant de dépenser beaucoup d’argent dans un téléphone dont

la vitesse sur la toile sera la même que celle d’un téléphone 3G beaucoup moins

cher.

La migration d’une génération de technologies à l’autre ne s’effectue jamais

sans difficultés. Ainsi, le passage de la 3G et la 3,5G à la 4G pose quelques

problèmes techniques en raison des débits et de la complexité des technologies.