Réseaux mobiles et réseaux sans fil Khaldoun Al Agha [email protected].
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Réseaux mobiles et réseaux sans fil
Khaldoun Al [email protected]
Introduction
Les grandes directions
• Télécom– Le réseau téléphonique
– Le RNIS
– Le multimédia
• Informatique– L ’interconnexion d ’ordinateurs
– L ’interconnexion de réseaux (Inter Net)
– L ’Internet
– La parole et la vidéo
• Câblo-opérateur– La vidéo de type télévision
– Intégration canaux téléphoniques et accès à Internet
La convergenceLa convergence
1994 1996 1998 2000 20020
200
400
600
800
1,000
(million
s)
Voix sur réseau Fixe
Voix sur réseauMobile
Internet
Applicationscommuneset portails
multi-accès
Internet Mobile Internet Fixe
Applicationshaut débit
La convergence des applications
Toujours connectéet disponible
+ Localisation
Peut-il y avoir des applications communes?
Réseaux de mobiles
Introduction
• Sans fil et mobile
Système Sans fil Mobile
GSM x x
IS95 x x
UMTS x x
TCP/IP - -
IP-mobile - x
ATM - -
DECT (sans cordon) x -
Appel sur fixe
Switch
PSTN
Décrocher
Tonalité
Numéro
Indication de sonneriesIndication d’appel
Décrocher
Conversation
Arrêt de sonneries
Architecture cellulaire
Localisation
Paging
Appel sur mobile
System information
Indication d’appel
Appelant BS BSSwitch AppeléSystem information
Requête de service
Requête de service
Indication d’appelRequête de paging
Requête de paging
Diffusion paging Diffusion paging
Réponse de pagingRéponse
Allouer ch.102 Allouer ch.12 Se régler sur 102
Se régler sur 12
Sonnerie
Réponse Réponse Arrêter sonnerie
Arrêter sonnerie Conversation
Méthode d’accès
temps
fréquence
code
TDMA
temps
fréquence
code
FDMA
tempsfréquence
code
CDMA
Un bitUn
chipTb Tb
Tc
Bit rate:
bTR 1
Chip rate:
cTW 1
Processing Gain :
CDMA
RWG
Un bitUn
chip
Mobilité et débit
UMTS
IEEE 802.16
DECT
Mobilité
GSM
satellite
10kb/s 500k/s 10Mb/s 150Mb/s
Global
Cellulaire
Intérieur
2Mb/s
4ème génération
IEEE 802.11
IEEE 802.15
IEEE 802.20
UMTS
GSM-GPRS-EDGE
GSM
• CEPT : création du standard GSM (Groupe Spécial Mobile)
• Système analogique : 5 interfaces radios différentes
• But : roaming international, services indépendants du réseau utilisé– un seul tél en Europe
• 1987 : – une seule interface radio : Hybride Fréquence/Temps
– infrastructure basée sur le SS7 (Signaling System Number 7)
• 1990 : ETSI => memorandum of understanding concernant les services commerciaux et les arrangements entre opérateurs
GSM
GSM
......
......
BTS
BTS
Um
Um
BSC
Abis
Abis
Base Station System
SIM
SIM
MSC
A
Trame
0 1 2 7 0 1 2 7 0 1 2 7
f
t
1 slot = 156,25 bits = 577 s 1 trame = 1250 bits = 4,6 ms
DO
WN
UP
200 kHz
45MHz
1.73 ms
Chiffrement
RAND128 bits
Kiup to 128 bits
A3, A8
SRES32 bits
Kc64 bits
Frame number 22 bits
A5
Encryptionmask
114 bits
Data114 bits
Ciphereddata
114 bits
GPRS
• General Packet Radio Service– mode paquet
• Objectifs– support pour un bursty trafic– utilisation efficace des ressources radio– accès temps rapide (0.5 à 1 sec)– connectivité sur INTERNET– coexistence avec GSM (parole)
Trafic WEB
GSN
• Deux nœuds : – SGSN : Serving GPRS Support Node
• connection avec la station de base (relais de trame), semblable au MSC
– GGSN : Gateway GPRS Support Node• connection avec les réseaux de type paquet « INTERNET »
– Encapsulation des paquets avec le protocole GPRS (tunneling)
– Sécurité : assurée par le SGSN, comme dans GSM
Architecture
Exemple de routage
Fonctionnement
• Terminal : A, B ou C• TBF : Temporary Block Flow • TFI : Temporary Flow Identity • PDP : Packet Data Protocol
– Adresse IP
• 3 classes de service : haute, normale et basse
Interface radio
GSM et GPRS
GSM = 1 slot = 9,6 ou 11 ou 14 Kbit/s
GPRS = X + Y
Par exemple 4 + 1 pour un total de 53 + 2 pour un total de 44 + 4 pour un total de 5
GSM = n slot à 9,6, 11, ou 14 Kbit/s
EDGE
• Enhanced Data rate for GSM Evolution
• État de la liaison
• Adaptation du lien
• Modulation 8-PSK (3 fois plus que GSM)
8-PSK
i
Ap
000
001010
011
100
101
110
111
Méthode de GRAY
Par rapport à GSM
• Débit physique par slot : 69 Kb/s• Canal de trafic : E-TCH• MCS : Modulation and Codage Scheme
UMTS
Evolutions des technologies
GSM
PDC
IS-136
IS-95
IS-41GSM-MAP
3G 2G
E-GPRS
W-CDMA cdma2000
UWC-136
UTRA
UMTS/IMT2000
Architecture
UserEquipment UTRAN Core
NetworkUu Iu
Architecture
RNS
RNC
RNS
RNC
CN
Node B Node B Node B Node B
IuCS IuPS
Iur
Iubis
USIM
ME
MS
Cu
Uu
MSCSGSN
Gs
GGSNGMSC
GnHLR
Gr
GcC
D
E
AuCH
EIR
F Gf
GiPSTN
IuCSIuPS
VLRB
Gp
VLRG
BSC
BTSBTS
Um
A
BSC
BTSBTS
Gb
Abis Abis
Um
BSSBSS
SIM
SIM-ME i/f or
MSC
B
PSTN
Iubis
PSTN
CircuitCircuit
GSM BTSGSM BTS
GSMBSS
GSMBSS
GSM BTSGSM BTS
HLRAUC
MSC/VLR
GMSC
Réseau à CommutationDe circuit
InternetIP
InternetIP
SGSN GGSN
Réseau à transfert de paquets
BSBS
BSBS
Iub
UTRAN - UMTS Terrestrial Radio Access Network
Iur
UMTS RNC
UMTS RNC
UMTS Réseau cœur
InternetIP
InternetIP
SGSN GGSN
Réseau à transfert de paquets
BSBS
BSBS
UTRAN - UMTS Terrestrial Radio Access Network
UMTS RNC
UMTS RNC
UMTS Réseau cœur
ATM/AAL2
InternetTélécom
InternetTélécom
BSBS
BSBS
UTRAN - UMTS Terrestrial Radio Access Network
UMTS RNC
UMTS RNC
UMTS Réseau cœur
Réseau Sans fil
Réseauad hoc
Hot Spot
Réseau Sans fil
Réseau Sans fil
Réseaux de mobiles
• 3è génération– IMT 2000 (International Mobile Telecommunication for
the year 2000)• UMTS (Europe)---------- UMTS TDD• W-CDMA (Japon)------- UMTS FDD• Cdma 2000 (USA)• EDGE (USA)
– UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)• faible mobilité: 2 Mbit/s• forte mobilité: 64 Kbit/s
UMTS
• Fréquences– autour de 2GHz : bande de 230MHz
• Bandes appairées (120MHz) : 1920-1980 et 2110-2170 FDD/W-CDMA
• Bandes non appairées (50MHz) : TDD/TD-CDMA• Satellites (MSS) : 60 MHz
• Débit prévisible à forte charge : faible de 30 à 50 Kbit/s
Réseaux sans fil
Bandes sans licence
30 Hz 300 Hz 3 KHz 30 KHz 300 KHz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz
3 GHz 4 GHz 5 GHz1 GHz 2 GHz 6 GHz
ISM : Industrie, Science et Médecine
UNII : Unlicensed National Information Infrastructure
UHFSHFUltra High Ultra High FrequencyFrequency
Super High Super High FrequencyFrequency
Satellite Radar WLANWMAN
FM, TVGSM
WLANEtc …
UHF SHF
GSM : Global System for Mobile Communications
Radio Spectrum
100 Mhz
5.725 Ghz5.825 Ghz
802.11aHiperLan II
83.5 Mhz
2.4 Ghz
2.4835 Ghz
802.11bBluetoothFour à microondes
12cm 5cm
200 Mhz
5.35 Ghz5.15 Ghz
Les catégories de réseaux
• WPAN Wireless Personal Area Network• WLAN Wireless Local Area Network• WMAN Wireless Metropolitan Area Network• WWAN Wireless Wide Area Network
1 m 10 m 100 m 1 km 10 km 100 km
réseaux
métropolitain
Réseaux personnel
Réseauxlocaux
Réseauxétendus
Standards pour les réseaux sans fils
• PAN– IEEE 802.15 (WiMedia)
• IEEE 802.15.1 - Bluetooth• IEEE 802.15.3 - UWB• IEEE 802.15.4 - ZigBee
• WLAN– IEEE 802.11 (Wi-Fi)
• IEEE 802.11b • IEEE 802.11a• IEEE 802.11g• IEEE 802.11n
– HiperLAN• WMAN
– IEEE 802.16 (WiMAX)• IEEE 802.16a• IEEE 802.16b
– IEEE 802.20 (MBWA)
802.15.4
802.15.1
Capacité
ComplexitéPAN / WLAN / WMAN
802.11n
802.11 802.11b 802.11g
802.11a
802.15.3
Réseau ad hoc
• Auto-organisation• Spontané• Pas de système d’administration• Sur batterie• Chaque noeud est un routeur
IEEE 802.15
WPAN: Wireless Personal Area Network
Bluetooth
Qui est Bluetooth?
• Harald Blaatand « Bluetooth » II– Roi du Danemark (940-981)
802.15x
• Les différents 802.15.x– 802.15.1 ou Bluetooth– 802.15.2 – 802.15.3 ou UWB– 802.15.4 ou ZeegBee
Bluetooth
Technologie pour remplacer les câbles Débit inférieur à 1 Mbit/s Une dizaine de mètres Faible puissance Coût très bas
Bluetooth Radio Link
Saut de fréquence– 2.402 GHz + k MHz, k=0, …, 78– 1,600 sauts par seconde
1 Mbit/s
. . .
1Mhz
1 2 3 79
83.5 Mhz
Bluetooth
• Fréquences entre 2 400 et 2 483,5 Mhz • 79 canaux d’une largeur de 1 Mhz.
– Ces fréquences ne sont pas disponibles dans tous les pays et en France, au Japon ou en Espagne seulement 23 fréquences sont accessibles.
• Piconet de 8 utilisateurs– 1 maître et 7 esclaves (technique de polling)
Téléphone Bluetooth
Piconet
PDA
téléphone
souris
Scatternet
PDAtéléphone
Casque sans fil
téléphone
PDA
téléphone
souris
Bluetooth
IEEE 802.11 / Wi-Fi
Le standard IEEE 802.11
Couche 1 : Physique
Couche 3 : Réseau
Couche 4 : Transport
Couche 2 : Liaison de données
Couche 5 : Session
Couche 7 : Application
Couche 6 : Présentation
Couche 1 : Physique
Couche 3 : Réseau
Couche 4 : Transport
Couche 2 : Liaison de données
Couche 5 : Application
Ethernet, Wi-Fi, Fibre optique, etc …
TCP/IP
• IEEE 802.11 - Standard d’origine (1990 – 1997)• But : Développer une couche physique et une couche
liaison permettant d’offrir une connectivité sans fil à toute station aussi bien fixe que mobile
• Débit : 1 et 2 Mbits/s dans la bande ISM (2,4 GHz)
HTTP, mail, etc …
Modèle ISOModèle ISO Modèle TCP/IPModèle TCP/IP
Amendements à IEEE 802.11
• Couche Physique– 802.11b (1999) - Vitesse jusqu’à 11 Mbit/s (bande ISM)
• 802.11b+ (2002) - Vitesse jusqu’à 22 Mbit/s (bande ISM)
– 802.11a (2001) - Vitesse jusqu’à 54 Mbit/s (bande UNII)• 802.11a 2x mode - Vitesse jusqu’à 108 Mbit/s (bande UNII)
– 802.11g (2003) - Vitesse jusqu’à 54 Mbit/s (bande ISM) • 802.11g 2x mode - Vitesse jusqu’à 108 Mbit/s (bande ISM)
– 802.11n (2005/2006) - Vitesse jusqu’à 108 Mbit/s voir 320 Mbit/s
• Couche Liaison de données– 802.11e (2003) - Qualité de service – 802.11i (2003) - Amélioration de la sécurité – 802.11f (2003) – Gestion des handovers
Wi-Fi Alliance (1/3)
• Wi-Fi Alliance : Organisme qui regroupe les principaux acteurs du marché sans fils dans le monde
• Son but : – promouvoir Wi-Fi comme standard international pour
les réseaux sans fil– garantir l’interopérabilité des produits Wi-Fi (Wireless
Fidelity)– garantir la sécurité dans Wi-Fi (WPA)
Wi-Fi Alliance (2/3)
• Wi-Fi : programme de certification– Tests visant à labelliser tout type d’équipement basé sur
le standard 802.11• Cartes • Point d’accès
– Matériel de référence :• Orinoco, Cisco, Intersil
• But : Permettre l’interopérabilité entre tous les équipements Wi-Fi
Wi-Fi Alliance (3/3)
• WPA (Wi-Fi Protected Access)– Certification pour la sécurité– Architecture de sécurité basé sur l’utilisation de 802.1x
et TKIP– Sera compatible avec IEEE 802.11i
• Wi-Fi Zone– Certification pour les hot spots
• Déploiement• Fiabilité• Sécurité
Basic Service Set (BSS)
BSS
STATION
STATION
STATION
STATION
STATION
Point d’accès
Caractéristiques principales :
• Nom de réseau (SSID)
• Canal de transmission
• Mécanismes de sécurité
• Topologie
Réseau d’infrastructure (ESS)
BSS
STATION
Point d’accès
STATION
STATION
ESS
Système de distribution
BSS
STATION
Point d’accès
STATION
STATION
Caractéristiques principales :
• Nom de réseau (SSID)
• Canal de transmission
• Mécanismes de sécurité
• Topologie
Internet
Réseau en mode ad hoc (IBSS)
IBSS
STATION
STATION
STATION
STATION
Caractéristiques principales :
• Nom de réseau (SSID)
• Canal de transmission
• Mécanismes de sécurité
• Topologie
Equipements : Cartes 802.11
Wi-Fi embarqué
• En 2004, plus de 80 % du marché des portables seront équipés de cartes Wi-Fi embarqués
• Depuis 2003, les PDA sont équipés de Wi-Fi embarqués
Equipements : Point d’accès
Equipements : Antenne
Architecture détaillée
Réseau Wi-FiRéseau Wi-Fi5
Ethernet Alimenté (PoE)
AP controller
Power System
Gestion des handovers
Configuration dynamique des points d’accès Wi-Fi et Wi-Fi5
Topologies du réseau (1/2)
BSS
STATION
Point d’accès
STATION
STATION
BSS
STATION
Point d’accès
STATION
STATION
BSS
STATION
Point d’accès
STATION
STATION
ETHERNET
Topologies du réseau (2/2)
BSS
STATION
Point d’accès
STATION
STATION
BSS
STATION
Point d’accès
STATION
STATION
BSS
STATION
Point d’accès
STATION
STATION
La réglementation française
• Aucune demande d’autorisation– A l’intérieur des bâtiments
• Bande 2,400 – 2,4835 GHz, puissance 100 mW
– A l’extérieur des bâtiments • Bande 2.400- 2,454 GHz, puissance 100 mW
• Bande 2,454 – 2,4835 GHz, puissance 10 mW
• Autorisation nécéssaire pour une utilisation complète de la bande des 2,4 GHz
802.11b et g
• Bande ISM• Bande divisée en 14 canaux de 20 MHz• La transmission ne se fait que sur un seul canal• Superposition de 3 réseaux au sein d’un même espace• Débits compris entre 1 et 11 Mbit/s• Mécanisme de variation de débits selon la qualité de l’environnement radio
2,4 GHz 2,4835 GHz
Canal 1 Canal 7 Canal 13
83,5 MHz
Affectation des canaux (1/2)
10 à 13141 à 131 à 11Nombres de sous canaux
utilisés
Pays Etats-Unis Europe Japon France
Canal 10
Canal 11
Canal 12
Canal 13
2,4835 GHz2,4465 GHz37 MHz
Affectation des canaux (2/2)
1 137
13
13 1
1 13
13
13
Zone de couverture (1/3)
• Dépend de l’environnement– Les murs– Les meubles– Les personnes
• Distance entre les équipements du réseau• Interférences
– Autres réseaux Wi-Fi– Bluetooth– Les fours micro-ondes– Autres équipements utilisant la bande ISM
Zone de couverture (2/3)
• A l’intérieur des bâtiments
• A l’extérieur des bâtiments
Vitesses (Mbits/s) Portée (Mètres)
11 50
5 75
2 100
1 150
Vitesses (Mbits/s) Portée (Mètres)
11 200
5 300
2 400
1 500
Zone de couverture (3/3)
Point d’accès
802.11a
• Bande UN-II (5GHz)• Largeur de la bande : 300 MHz• Basé sur OFDM• Débits compris entre 6 et 54 Mbits/s• Certaines technologies permettent d’atteindre 108 Mbits/s
5,15 GHz 5,20 GHz 5,25 GHz 5,30 GHz 5,35 GHz 5,725 GHz 5,775 GHz 5,825 GHz
Low Middle High
40 mW 200 mW 800 mW
Intérieur ExtérieurDomaines d’applications
Puissance
Bande U-NII
Fréquences
Les canaux de 802.11a
• 8 canaux de 20 MHz
• Co-localisation de 8 réseaux au sein du même espace
5,18 GHz 5,2 GHz 5,28 GHz5,22 GHz 5,24 GHz 5,26 GHz 5,3 GHz 5,32 GHz 5,35 GHz5,15 GHz
2,4835 GHz200 MHz
Canal Fréquence(en GHz)
36 5,18
40 5,20
44 5,22
48 5,24
52 5,28
56 5,30
60 5,32
Affectation des canaux
36 44
40 56
48 60
52
6436 44
40 56
4860
5264
802.11a - Zone de couverture
• A l’intérieur des bâtiments
Vitesses (Mbits/s) Portée (Mètres)
54 10
48 17
38 25
24 30
12 50
6 70
Amendements 802.11x
• 802.11b - Vitesse de 11 Mbits/s (bande ISM)• 802.11a - Vitesse de 54 Mbits/s (bande UN-II)• 802.11g - Vitesse de 20 Mbits/s (bande ISM)• 802.11e - Qualité de service• 802.11f – Handovers• 802.11i - Amélioration de la sécurité
Sécurité dans Wi-Fi
• Accès au réseau– Service Set ID (SSID) : équivalent au nom de réseau– Access Control List (ACL) : basé sur les adresses MAC
• Wired Encryption Privacy (WEP) : Mécanisme de chiffrement basé sur le RC4
• Nouvelle sécurité : TKIP (Temporal Key Integrity Protocol
(formerly WEP2) ), 802.1x et carte à puce
IEEE 802.11e
• Qualité de service• Téléphone IEEE
802.11• Algorithme d’accès
CSMA-CA avec priorité
PartoutTout le temps
Accès gratuit?
Ville Internet
IEEE 802.11bIEEE 802.11a and IEEE 802.11e
UMTS
Internet enfoui
Internet enfoui
Hot spot
La mobilité IP
IP-Mobile : problématique
Tunneling
Protocole
Internet gf
LD
Source Destination
f : fonction de ré-adressageg : fonction inverse
IP Cellulaire
Architecture
Les réseaux ad-hocLes réseaux ad-hoc
Inondation
Avec tables de routage
Les MPR
Calcul de la route
B D
A
c E
F
: bi-dir
: uni-dir
Nœud C :
A bi_dir -B mpr D E uni-dir -
Nœud E :
D mpr B,F
Nœud B :
A bi-dir -C bi-dir - D mpr E,F
Nœud A :
B mpr DC bi-dir -
Nœud D :
B mpr A,CE bi-dir - F bi-dir -
Nœud F :
D mpr B,EE uni-dir -
4è génération de mobiles4è génération de mobiles
• 4è génération– Handover hétérogène
• IEEE 802.11• HiperLAN• Bluetooth• UMTS• BLR• GPRS• GSM• Satellite• fixe
Le futur
Références
• Http://www.3gpp.org
• http://www.ietf.org
• Les réseaux de mobiles et les réseaux sans fil, K. Al Agha, G. Pujolle, G. Vivier, Eyrolles
• The GSM System for Mobile Communications, M. Mouly, M.B. Pautet, Cell & sys
• Wireless Personal Communications Systems, D. J. Goodman, Addison-Wesley
• Mobile Cellular Telecommunications, W. C. Y. Lee, McGraw-Hill
• Mobile IP, C. Perkins, Addison-Wesley
• WCDMA for UMTS: Radio Access for Third Generation Mobile Communication, Harri Holma, Antti Toskala, WILEY