U M T S Frédéric D Hont. S O M M A I R E ï ï Présentation du Contexte ï ï L interface Radio...

U M T S

Frédéric D ’HontFrédéric D ’Hont

S O M M A I R ES O M M A I R E

Présentation du Contexte

L ’interface Radio

• Méthodes d ’accès

• CDMA

• Les canaux / Notions de QOS / La couche physique

• Procédures de gestion de ressources radio

• Architecture en couches

L ’architecture UMTS

Conclusion

PRESENTATION DU CONTEXTEPRESENTATION DU CONTEXTE

U M T SU M T S Les Différentes générations en Europe

• 1 G : FDMA• 2 G : TDMA

EVOLUTION

Commutation de circuit : GSM (9.6 Kbits/s) HSCSD (57.6 kbits/s)

Commutation de paquet : GPRS (160 kbits/s)

Commutation de circuit + paquet : EDGE (384 kbits/s)

UMTS (2Mbits/s)

H S C S D H S C S D HIGH SPEED CIRCUIT SWITCHED DATAHIGH SPEED CIRCUIT SWITCHED DATA

PRINCIPE : MOINS DE PROTECTION CONTRE LES ERREURS

AVANTAGE :

UTILISATION DE L ’INFRASTRUCTURE GSM EXISTANTE

INCONVENIENT :

COMMUTATION DE CIRCUIT UTILISE POUR LA TRANSMISSION DE DONNEES

GACHIS DE RESSOURCE

E D G E E D G E ENHANCED DATA RATE FOR GSM ENHANCED DATA RATE FOR GSM

EVOLUTIONEVOLUTIONPRINCIPE : MODULATION DIFFERENTE DU GSM / GPRS (8 psk)

3 Bits TRANSMIS A CHAQUE MOUVEMENT D ’HORLOGE

MULTIPLICATION PAR 3 DU DEBIT

AVANTAGE :

MODE CIRCUIT + PAQUET UTILISE

INCONVENIENT :

NECESSITE UN CHANGEMENT D ’EQUIPEMENT

SITUATION DES RADIO MOBILES AU SITUATION DES RADIO MOBILES AU NIVEAU MONDIALNIVEAU MONDIAL

Chiffres 2001:

GSM 564 Millions de clients

CDMA 100 Millions de clients IS - 95 (continent américain et Asie)

TDMA IS - 136 (Digital-AMPS) 81 millions de clients(Etats-Unis)

TDMA PDC (Personal Digital Cellular) /PHS (Personal Handyphone System)

55 millions de clients , Japon

ETAT DES LIEUX MONDIALETAT DES LIEUX MONDIAL

En 2001 : 600 millions de clients technologies sans fil 2 G

(30 millions en France)

Accélération de la croissance de la radio téléphonie

2005 : 1 milliard de clients

Marché en développement : Asie

Ralentissement de la croissance en Europe et Amérique du Nord

Modulations différentes

Méthodes d ’accès différentes

Bandes de fréquence différentes• GSM 900/1800 (MHz)• IS 95 800/1900• IS 136 800/1900• PDC 800/1400

Gestion du client différent• Carte SIM (GSM)• Infos clients dans le mobile (Amérique du Nord)

INCOMPATIBILITE DES SYSTEMES INCOMPATIBILITE DES SYSTEMES EXISTANTSEXISTANTS

QU ’EST CE QUE L ’U M T SQU ’EST CE QUE L ’U M T S

Universal Mobile Télécommunication System

Système de 3ème génération

• Couverture globale• Roaming global• Débits importants• Support d ’application multimédia• Terrestre / Satellite (Mss) : Mobile Satellite Service

LES PRINCIPES DE L ’UMTSLES PRINCIPES DE L ’UMTS

Normalisation internationale

• Différents standards prévus dans l ’UMTS (compromis)

Bandes de fréquences communes

Support pour données haut débit

• 2 Mbit/s en environnement fixe

• 384 kbit/s (mobilité réduite)

• 144 kbit/s (mobilité forte)

Héritage du GSM (principe du réseau existant)

Un système construit par les constructeurs (# GSM)

Compatibilité avec systèmes de deuxième génération

UNE NORMALISATION UNE NORMALISATION INTERNATIONALEINTERNATIONALE

Concept d ’IMT 2000

Objectif : Fédérer les propositions des différents organismes de normalisation

Principaux organismes :

•Un organisme fédérateur : ITU (International Télécommunication Union)

•Europe : ETSI (European Telecommunication Standard Institute)

•Japon : ARIB (Association of Radio Industries and Businesses

•Etats Unis : T1 /TIA

•Corée : TTA (Telecommunication Technology Association)

LES DATES « CLE »LES DATES « CLE »

1992 Réservation par l ’ITU à l ’IMT 2000 de 2 (+ 2 MSS) bandes de fréquences (230 MHz + 150 MHz MSS)

1998 16 propositions reçues pour l ’interface air

Technologie CDMA majoritaire

1999 2 familles de technologie retenues en CDMA

Création de 2 regroupements de constructeurs et opérateurs


3 GPP (3d Generation Partnership Project)

• Héritage d ’un certain nombre de concept du GSM

• UMTS

• Rapprochement ETSI/ARIB/T1

3 GPP2• Créé afin de garantir une pérennité des systèmes IS 95• CDMA 2000

• Etats Unis/Corée/Japon/Chine

1999 Premières spécifications techniques

2000 Début des attributions des licences UMTS en Europe (Espagne)

Recommandations UMTS release 99 publiées (UMTS phase 1)

Réservation de 3 bandes de fréquences complémentaires (160 MHz) - (900, 1800, 2600 MHz)

2001 UMTS release 4

2002 UMTS Release 5

2004 Ouverture commerciale 1er réseau UMTS en France


BANDES DE FREQUENCEBANDES DE FREQUENCE Bandes prévues par l ’ITU

•1885 - 2025 MHz•2110-2200 MHz

Quelles sont les bandes disponibles ?

•Europe 1900 - 2025 MHz (couplé au DECT partie basse 1880-1900)

2110 - 2200 MHz

•Japon 1920 - 2025 MHz (couplé au PHS partie basse 1893-1919)

2110 - 2200 MHz

•Etats Unis ?????

En Europe hors satellite : bande [ 1900, 1980] U [2010,2025] U [2110, 2170] MHz

Largeur de porteuse de 5 MHz

UN SYSTEME ETABLI PAR DES UN SYSTEME ETABLI PAR DES CONSTRUCTEURSCONSTRUCTEURS

Différent du GSM

Principaux acteurs :

• Constructeurs :ERICSSONNOKIANORTEL SIEMENS sur TDD

• Opérateurs :VODAFONENTT Do Co Mo

QUELS SERVICES ?QUELS SERVICES ?

Téléphonie

Services d ’information

Accès intra/extranet mobile

Messagerie multimédia

Services de localisation

Accès internet mobile

Services Point à pointSymétriques :

• Téléphonie

• Conférence téléphonique

• Vidéo conférence

Asymétriques :

• Email

• Télécopie

• Accès données (journal, vidéo, shopping,…)

• Service médical à distance (imagerie)

• Accès internet

Services Multipoint • Radio mobile

• TV mobile

• Services de distribution d’information (métro, trafic, sport,….) ou de musiques

Paging

SEPARATION RESEAU D ’ACCES ET SEPARATION RESEAU D ’ACCES ET RESEAU COEURRESEAU COEUR

Flexibilité du réseau accès (# GSM)

Découpage en 2 strates

OBJECTIFOBJECTIF

Séparation de niveaux de services indépendants

Modélisation en strates AS (Access Stratum) et NAS (Non Access Stratum)

ACCESS STRATUM

Fonctions liées au réseau d’accès (UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network)

Gestion des ressources radio Handover Chiffrement Compression

NON ACCESS STRATUM

Autres fonctions indépendantes du réseau d’accès• Etablissement d’appel• Signalisation d’appel• Authentification• Gestion des services supplémentaires• Facturation

Interface générique et normalisée• Interface IU• Objectif : Etre capable de connecter des réseaux

d ’accès de technologies différentes :UTRAN (UMTS)BRAN Broadband Radio Access Network(WLAN - Wireless Local

Area)SRAN - Satellite

Gestion de qualité de service au niveau IU

SEPARATION RESEAU ACCES ET SEPARATION RESEAU ACCES ET RESEAU COEURRESEAU COEUR

RESEAU COEUR

UTRANUTRAN SRANSRAN BRANBRAN

IUIUIU

Réseaux d ’accès

L ’INTERFACE RADIOL ’INTERFACE RADIO

L ’INTERFACE RADIOL ’INTERFACE RADIO

Les méthodes d ’accès

2 techniques proposées :

TDD (Time Division Duplex)

FDD (Frequency Division Duplex)

TDD : Une seule et unique fréquence utilisée alternativement par les deux voies de communication

FDD : Une fréquence utilisée pour chaque sens de communication (comme en Gsm…)

DIFFERENCES FDD/TDDDIFFERENCES FDD/TDD

FDD : Adapté aux applications à débit symétrique (même largeur de bande pour UL et DL)

Technique non optimale pour débit asymétrique

Technique plus mature

TDD : Technique plus flexible quand spectre limité

Gestion des interférences plus complexe

Bandes de fréquence allouées :

TDD [1900-1920] U [2010, 2025] 7 canaux

FDD UL [1920, 1980] 2 x 60 MHz (2 x 12 canaux)

FDD DL [2110, 2170]

LA TECHNOLOGIE CDMALA TECHNOLOGIE CDMA

Historique

Fin années 50 : Début utilisation de cette technique par les militaires

• Résistance aux brouillages

• Confidentialité

Début années 90 Proposée pour réseaux cellulaires

Avantages visés :

Augmentation de l ’efficacité spectrale

Technique plus adaptée aux débits variables

Premier réseau : IS-95 (USA, CDMA ONE)

Principe Les usagers utilisent tous la même bande de fréquence et sont différenciés par leur code respectif

PRINCIPE DE L ’ETALEMENT DE PRINCIPE DE L ’ETALEMENT DE SPECTRESPECTRE

Etalement de la puissance du signal d ’information sur une bande de fréquence plus large

X XSignal usager(Transmission)

Filtre/récepteur

Séquence d ’étalement

Séquence d ’étalement

Séquence récupérée

SPREADING FACTOR SPREADING FACTOR (gain de traitement ou gain d ’étalement)(gain de traitement ou gain d ’étalement)

SF : B étalement / B information

où B étalement : Bande du signal résultant du processus d ’étalement

B information : Bande occupée par le signal d ’information

Indicateur direct de qualité = BER = SF x SIR (Signal to Interference Ratio)

CHIP RATECHIP RATE

Chip = Elément de code

Chip rate = débit de la séquence de code utilisée

En IS 95 Chip rate = 1,2288 Mcps

En UMTS Chip rate fixe : 3,84 Mcps (étalement plus important)

Notion de Wideband CDMA (WCDMA)

Pour CDMA 2000 Plusieurs chip rates utilisables

(multiples du chip rate IS 95 : N x 1,2288 Mcps N = {1 ; 3 ; 6 ; 9; 12})

LES CODES UTILISESLES CODES UTILISES

2 types de codes utilisés :

Codes OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor)

(Channelization codes ou codes de canal)

Différents gains de traitement possibles en fonction du débit usager

Codes de brouillage (séquences pseudo aléatoires)

(Scrambling code)

Réalisation de l ’étalement à proprement dit

LES CHANNELIZATION CODESLES CHANNELIZATION CODES

Codes orthogonaux

Codes utilisés pour le système IS-95 (CDMA One)

Codes propres à chaque canal physique

Codes de longueur différente (différents gains de traitement)

Codes OVSF utilisés basés sur codes de Walsh Hadamard (longueur 256)

Note : Codes de longueur 64 utilisés sur IS 95

Représentation des codes OVSF sous forme d ’arbres

C4,2 = (1,1,-1,-1)

C4,4 = (1,-1, -1, 1)

C 1,1 = (1)

C 2,1 = (1,1)

C4,3 = (1,-1,1,-1)C2,2 = (1,-1)

C4,1 = (1,1,1,1)

SF = 1 SF = 2 SF = 4 ……..


2 séquences situées au même niveau hiérarchique de l ’arbre sont orthogonales.

Plus SF est élevé, plus la capacité est importante

Orthogonalité non garantie si décalage dans le temps d ’un code

(mauvaise propriété d ’intercorrélation => Scrambling code)


LES SCRAMBLING CODES LES SCRAMBLING CODES

Codes pseudo aléatoires (PN Pseudo Noise)

Deuxième niveau de codage pour palier aux mauvaises propriétés de

corrélation des codes OVSF

Séquences de Séquence étalée

données

Générateur de registres à décalage (25)

38400 codes retenus en UL (taille équivalente à la trame radio de 10 ms)

Codes identifiant la station de base (DL) ou le mobile (UL)

XX XX

OVSFOVSF Codes de brouillageCodes de brouillage

AFFECTATION DE CODESAFFECTATION DE CODES

Voie descendante (synchronisation)

• Utilisation de la totalité de l ’arbre OVSF dans chaque cellule

(codes orthogonaux entre eux)

• Utilisation d ’un code de brouillage propre à chaque cellule

(distinction des cellules)

Voie montante (pas de synchronisation)

• Allocation à chaque mobile d ’un code de brouillage et de la

totalité de l ’arbre OVSF

OPTIMISATION DE L ’UTILISATION OPTIMISATION DE L ’UTILISATION DES CODESDES CODES

Codes OVSF

2 codes OVSF situés sur une même branche ne sont pas forcément orthogonaux

Risque de pénurie de codes OVSF (512 max) sens DL

Optimisation / Achat de codes

Utilisation possible d ’un deuxième code de brouillage dans une cellule

Codes de brouillage

En DL, synchronisation véhiculée par 64 codes de brouillage (codes de synchro secondaire)

Réutilisation des codes

PLANIFICATION CODES CDMAPLANIFICATION CODES CDMA

Planification plus simple en CDMA (bande de 5 MHz quasi unique)

Planification de codes de brouillage (afin d ’éviter des interférences

inter cellulaires)

En UMTS, une station de base est reconnue

par son code de brouillage

LIMITE DE CAPACITE EN CDMALIMITE DE CAPACITE EN CDMA

Utilisation de la même bande de fréquence par tous les usagers (codes

différents)

En pratique, orthogonalité non respectée

Interférences UL

Plus le trafic augmente, plus le niveau de signal augmente, plus le bruit

ambiant augmente

Le respect d ’un niveau de signal à bruit

Cible passe un contrôle de puissance précis et rapide

Un contrôle de puissance défectueux va dégrader

la capacité du réseau

LES CANAUXLES CANAUX

3 types de canaux : logiques (informations à

transmettre), transport (canaux logiques mis en forme), physiques (canaux réellement transmis sur l ’interface radio)

Cœur de Réseau Station de Base Mobile

Canaux logique

Canaux de transport

Canaux physiques

LES CANAUX LOGIQUESLES CANAUX LOGIQUES

Liés à l ’utilisation faite et non au canal de transmission

Canaux de contrôle

• BCCH (diffusion informations de contrôle)

• PCCH (envoi de paging)

• CCCH (signalisation pour mobiles non connectés au réseau)

• DCCH (signalisation pour mobiles connectés au réseau)

Canaux de trafic

• DTCH (échange de données usager avec un mobile connecté au

réseau)

• CTCH (envoi de données usager réseau vers groupes de mobiles)

LES CANAUX DE TRANSPORTLES CANAUX DE TRANSPORT

Mécanismes destinés à fiabiliser les échanges de données sur l ’interface radio

Gestion de la qualité de service

Canaux dédiés et communs

NOTION DE QOSNOTION DE QOS

RAB (Radio Access Bearer)

TFS (Transport Format Set)

Le Non Access Stratum charge l ’Access Stratum d ’établir le chemin de communication dans le réseau d ’accès


Définition du RAB:

Définition d’attributs de qualité de service négociés entre usager et réseau cœur sur l ’interface radio et Iu

Notions importantes:

• Délai de transfert de l ’info• Variation du délai de transfert• Tolérance aux erreurs de transmission


Classes de service:Conversationnel (phonie, visiophonie, jeux)Streaming (écoute de pgmes audio/vidéo, transfert FTP)Interactif (messagerie vocale, navigation WEB, e-

commerce)Background (fax, email)

Débit max / débit garanti Taille des informations Taux d ’erreur Délai de transfert Priorité


ACTIONS DE L ’UTRAN

• Choix du codage canal

• Dimensionnement des ressources radio et configuration des protocoles radio (laissé libre au constructeur)


INTERFACE RADIO ET TFS

A chaque canal de transport, l ’UTRAN associe une liste d ’attributs (TFS) destinée à représenter la manière dont les données sont transmises sur l ’interface radio

Définition notamment de :

Transport Block Size (taille des données transmises sur l ’interface radio) TTI (entrelacement) Type de codage canal (sans, code convolutif ou turbocode) Taille du CRC Rendement du codage canal (1/3, 1/2)

LES CANAUX PHYSIQUESLES CANAUX PHYSIQUES

Canaux entre mobile et station de base (# transport ou

logiques)

Canal défini par :

• La fréquence porteuse

• Les codes de brouillage

• Les codes de canalisation

Durée d ’une trame = 10 ms

= 15 TS

LA COUCHE PHYSIQUE UMTSLA COUCHE PHYSIQUE UMTS

Les principales étapes :

Codage source (transcodage)

Le contrôle d ’erreurs (ajout du CRC)

Choix du codage canal en fonction des attributs de qualité

de service requis

• CRC (5 niveaux)

• Turbocodes (codes convolutifs en parallèle)

Le codeur de parole AMR (Adaptative Multi Rate) définit le meilleur couple codage canal/source

8 modes sont possibles avec trois classes d ’importance

Adaptation de débit

Adaptation de la taille des blocs au dimensionnement des canaux

physiques de l ’interface radio

Rôle du SF (code le plus proche du débit demandé)

Poinçonnage (taille blocs codage > taille bloc physique) ou répétition de bits (taille blocs codage < taille bloc physique)

Entrelacement

Objectif : Palier aux erreurs de transmission radio

Fonction de la qualité de service requise

Par bloc : 2 niveaux : bloc de transport (TTI) + trame radio

(ordre de 30)

Notion de TTI (Transmission Time Interval)• TTI faible (10-20 ms) : Transport bloc réparti sur 1 à 2 trames

radio

• TTI élevés (> 80 ms) : Transport bloc réparti sur un nombre

important de trames

Retard de transmission (pas de contrainte temps réel)

Etalement et modulation

Utilisation des codes

Modulation QPSK (modulation de phase)

RECHERCHE DE CELLULE INITIALERECHERCHE DE CELLULE INITIALE

IMSI Attach

2 canaux physiques utilisés:

• SCH (Synchronisation Channel)

• CPICH ( Common Pilot Channel)

Suite de symboles connus du réseau et du mobile

Recherche du code par le mobile

RECHERCHE DE CELLULE INITIALERECHERCHE DE CELLULE INITIALE

Diffusion des informations systèmes:

Canal P-CCPCH (Primary Common Control Physical Channel)

•Diffusion des informations sur la configuration du réseau

•Analogie avec le canal balise BCCH GSM

•Débit = 13.5 kbit/s (BCCH GSM 780 bit/s)

PROCEDURE DE GESTION DES PROCEDURE DE GESTION DES RESSOURCES RADIORESSOURCES RADIO

Boite à outil permettant de gérer les ressources radio (RRC Radio Ressource Control) non normalisée

Principe du Cell Breathing - Limitation UL Contrôle de puissance (Soft) Handover L ’accès La gestion de la mobilité Les mesures radio

RADIO RESSOURCE MANAGEMENTRADIO RESSOURCE MANAGEMENT

Nouveau RABNouveau RAB

RAB acceptéRAB accepté RAB rejetéRAB rejeté

RAB rejetéRAB rejeté

RAB acceptéRAB accepté

Contrôle d ’admissionContrôle d ’admission

Allocation de codes, de Allocation de codes, de puissance et de la station de puissance et de la station de

basebase

Contrôle de congestion:Contrôle de congestion:

HOHO

PuissancePuissance

PréemptionPréemption

NNOOKK

PRINCIPE DU CELL BREATHING - PRINCIPE DU CELL BREATHING - LIMITATION ULLIMITATION UL

Limitation de capacité CDMA• Plus le trafic augmente, Plus le bruit augmente

Si Eb/No nécessaire important (> 6 dB) diminution trafic

=> Augmentation du trafic à Eb/No cible entraîne une perte de couverture

=> Dimensionnement des cellules fonction du trafic (CELL BREATHING)

Solutions: - Diminution du No => Contrôle de puissance- « Augmentation » du Eb => Soft HO

CONTRÔLE DE PUISSANCECONTRÔLE DE PUISSANCE

Principalement sens UL :

Réception par la station de base de signaux au même niveau (effet proche - lointain à compenser)

Sens DL : diminuer les interférences sur cellules voisines


Très réactif

A plusieurs niveaux (réseau, station de base, mobile)

Garantit le RAB


Premier type :Open Loop Power Control

Accès d ’un mobile non connecté

Puissance émission initiale calculée d ’après une estimation du Pathloss

Augmentation progressive

Entités impactées: mobile / station de base


Second type:Inner Loop Power Control

Mobile en cours de communication

Gère la qualité de la transmission radio

Tous les TS (soit 666.7 microsec)

Entités impactées: mobile / station de base


Troisième type:

Outer Loop Power Control

Gère la qualité globale de la communication

Effectué par le réseau

Plus lent que Inner Lopp (2e niveau)

SOFT HANDOVERSOFT HANDOVER

Principe : Mobile lié à plusieurs stations de base - Transmission non interrompue lors d’un changement de cellule

-> Diversité (amélioration des performances)

Objectif: Permettre d ’avoir un Eb plus fort

C ’est le réseau qui décide

Inconvénient : En DL, allocation d ’un code OVSF pour chaque lien=> Diminution du nombre de code disponible=> Signalisation plus importante (paramétrage à affiner)

SOFT HANDOVERSOFT HANDOVERAutres notions relatives au handover :

Softer HO Soft HO où cellules appartiennent à une même station de base

Active Set Ensemble des liens radio utilisés simultanément entre le réseau et le mobile (6 maximum)

Hard HO Changement de canal ou changement de mode FDD/TDD

Handover inter-technologies UTRAN/FDD et GSM Double chaîne de réception par le mobile Trous dans la Transmission de données (Compress Mode): Format spécifique, Poinçonnage, réduction du SF

L ’ACCESL ’ACCES

Cellules candidates: Critère S (Suitable)

Squal (qualité) > 0 et SrxLev (champ) > 0

Squal = Qqualmeas - Qqualmin Qqualmeas mesure du rapport S/B du canal CPICH de la cellule Qqualmin niveau min de qualité requis dans la cellule

SrxLev = QrxLevmeas - QrxLevmin - Pcompensation QrxLevmeas mesure du niveau du signal reçu par le mobile sur

le canal CPICH QrxLevmin niveau min de signal requis dans la cellule Pcompensation réserve de puissance du mobile sur la voie

montante (pénalité si Pmax mobile < niveau permis dans cellule)

L ’ACCESL ’ACCES

Choix de la cellule

Classement suivant un critère radio :

-> S/B canal CPICH

-> Niveau reçu sur canal CPICH

LA GESTION DE LA MOBILITELA GESTION DE LA MOBILITE

MODE VEILLE

MODE CONNECTE

LA GESTION DE LA MOBILITELA GESTION DE LA MOBILITEGestion mobilité en mode veille

Zones de localisation• Gestion séparée possible entre circuit et paquet (LA/RA)• Paging• Paramétrable par l ’opérateur • Mise à jour de localisation

Resélection de cellule• Cellules voisines• Critère S : cellules candidates• Critère R (Ranking): classement des cellules candidates• Critère de mesure : limiter le temps pendant lequel le

mobile effectue des mesures sur les cellules voisines. Si Squal (qualité cell courante) > Ssearch: pas besoin de mesurer les cellules voisines (mobile proche de la cellule)

LA GESTION DE LA MOBILITE EN MODE LA GESTION DE LA MOBILITE EN MODE VEILLEVEILLE

Critère R :

Critère basé sur une durée minimale (T reselection) Sélection du R le plus élevé Cellule courante A:

R(A) = Qmeas(A) + Qhyst(A) Cellules voisine satisfaisant critère S (B):

R(B) = Qmeas(B) - Qoffset(B) - TO(B)

Qmeas mesure qualité (soit Eb/No CPICH, soit S CPICH)Qhyst éviter de trop nombreuses resélectionsQoffset permet de favoriser ou défavoriser les cellules voisines les unes par rapport aux autres (limite de LA)TO composante temporelle qui sert à pénaliser la cellule voisine pendant une durée déterminée

LA GESTION DE LA MOBILITE EN MODE LA GESTION DE LA MOBILITE EN MODE CONNECTECONNECTE

Différents niveaux d’état connecté :

4 niveaux différents définis pour s ’adapter au mieux aux différents services

CELL_DCH :

Canaux de transport dédiés alloués dans les 2 sens de communication (analogue à l’état connecté GSM)

-> Contrainte de temps réel (téléphonie, diffusion vidéo)

-> Contrainte de mobilité par le réseau


Différents niveaux d ’état connecté :

CELL_PCH / URA_PCH : Aucune ressource dédiée allouée au mobile (analogue au mode veille GSM)

Seule lecture des mobiles des informations transmises par le réseau sur canaux BCH et PCH

Contrôle de mobilité effectué par le mobile

- CELL_PCH : position du mobile connue par le réseau

- URA_PCH : le réseau ne connaît pas la cellule courante du mobile mais seulement son URA (UTRAN Registration Area)


Différents niveaux d ’état connecté:

CELL_FACH :

• Aucun canal physique dédié alloué mais possibilité de transmission de données (mobile ou réseau)

• Position du mobile (cellule courante) connue

• Etat hybride CELL_DCH / CELL_PCH


Différents niveaux d ’état connecté:

Tri par niveau d ’activité décroissant:• CELL_DCH• CELL_FACH• CELL_PCH• URA_PCH


Contrôle de mobilité effectué par le mobile

Etats CELL_FACH, CELL_PCH, URA_PCH

Mise à jour de LA, RA ou URA

Critère de resélection: critères S et R du mode veille (paramètres différents)


Contrôle de mobilité effectué par le réseau

Etats CELL_DCH et CELL_FACH

Handover (Soft voire Hard)

Algorithme constructeur

• Exemple : Mesure du rapport S/B du canal CPICH > seuil S1

pendant une durée d ’au moins Tadd secondes => Ajout dans l ’active set

LES MESURES RADIOLES MESURES RADIO

Mécanique beaucoup plus riche et flexible qu’en GSM

Rien n ’est imposé par la norme (différent du GSM)

Exemples de grandeurs physiques mesurables par le mobile:• Puissance reçue d ’un canal CPICH• Eb/No du canal CPICH (par chip)

Prétraitement des mesures par le mobile :Objectif: diminuer le temps de calcul

Notion de filtrage (conserver les principales tendances et gommer les cas particuliers)

LES MESURES RADIOLES MESURES RADIO

Transmission des mesures vers le réseau:

2 modes proposés par la norme :

- Périodique (entre 250 ms et 64 s)

- Sur événement (si certaines conditions de mesures sont remplies => réduire les échanges de signalisation)

Mesures effectuées par la station de base:Exemple: mesure du BER (Bit Error Rate)Gestion similaire à celle du mobile

INTERFACE RADIO - Architecture en INTERFACE RADIO - Architecture en couchescouches

- Comme en GSM: Architecture en couches

- Similarité avec couches OSI sur les couches 1 à 3 (bas niveau)

Niveau 1: Couche Physique

Niveau 2: Couche Liaison

Niveau 3: Couche Routage

INTERFACE RADIO - Architecture en INTERFACE RADIO - Architecture en couchescouches

GSM GPRS UMTS

Couche 1 GMSK GMSK QPSK

Couche 2 LAPDm + complexe - Fiabilisation

que LAPDm du transport RLC 3 sous-couches - Multiplexage

Sécurité transport - Indépendance Segmentationinterface radio Multiplexage par

rapport au réseau - Compression

en-tête IP PDCP

Couche 3 RR (mobilité SNDCP RRC (RR GSM) + établ. appels) (encapsulation +

compression en-tête IP)

L ’ARCHITECTUREL ’ARCHITECTURE

DE L ’UMTSDE L ’UMTS

L ’architecture de l ’UMTSL ’architecture de l ’UMTS

UUEE

UTRANUTRAN RESEAU RESEAU COEURCOEUR

User User EquipmenEquipmentt

UUuu

IuIu


- Réseau cœur GSM / UMTS très similaires - Réseau d ’Accès:

RNC (Radio Network Controller) Equivalent BSC

Node B Equivalent BTS

RNCRNC

VLR

PSTN

Réseau de données de paquet (INTERNET)

SGSN GGSN

GMSCMSC3G

Node B

RNS :RNS : Radio Network SubsystemRNC :RNC : Radio Network ControllerUTRAN :UTRAN : Universal Terrestrial Radio Acces Network

RNS :RNS : Radio Network SubsystemRNC :RNC : Radio Network ControllerUTRAN :UTRAN : Universal Terrestrial Radio Acces Network

Iub



UEUE

Node Node BB

Node Node BB

Node Node BB

RNCRNC RNCRNCIurIur

VLRVLR

MSCMSC SGSNSGSN

GGSNGGSNGMSCGMSCHLRHLR

EIREIR

AuCAuC

IuIu IuIu

GnGnDD

CC

GdGd

FF GsGs

HH

GfGf

UuUu

RESEAU D ’ACCESRESEAU D ’ACCES

RESEAU COEURRESEAU COEUR

IubIub

Réseau d ’Accès et réseau coeurRéseau d ’Accès et réseau coeur

Réseau d ’accès:

Achemine l ’information depuis le terminal mobile jusqu ’au réseau cœur et vice versa

Réseau cœur:

Assure la gestion du service offert et l ’acheminement des communications vers les réseaux fixes

Equipement Usager (UE)Equipement Usager (UE)

- UICC (Universal Integrated Circuit Card): carte à puce

- USIM (Universal Subscriber Identity Module):Application contenue dans l ’UICC permettant

l ’accès aux services

Contient:IMSIMSISDNIdentités temporaires de l ’usager (TMSI / PTMSI)Identités des zones de localisation courantes de l ’UEClés de chiffrement et d ’intégritéListe des réseaux interdits

Le réseau cœur de l ’UMTSLe réseau cœur de l ’UMTS

En GSM: réseau cœur séparé en 2 suivant commutation de circuit ou de paquet (GPRS)

-> Gestion séparée de l ’établissement d ’appel et de la mobilité (MSC/VLR et SGSN)

En UMTS: cette distinction subsiste (R99) avec 2 domaines:- CS (Circuit Switched)- PS (Packet Switched)

Eléments du cœur de réseauEléments du cœur de réseau

- Domaine CS:MSC (commutateur de données et de signalisation)GMSC (commutateur passerelle vers réseaux extérieurs)

- Domaine PS:SGSN (rôle du VLR avec les RA)GGSN (rôle du GMSC pour le GPRS)

- Elements communs:HLR (base de données contenant les infos relatives aux clients)AuC (élément de gestion des fonctions de sécurité:

authentification/ chiffrement)EIR (base de données contenant la liste des mobiles interdits Black

List équipement optionnel)

Réseau cœur intégréRéseau cœur intégré

- Notion prévue en UMTS pour intégrer les domaines CS et PS

- Exécution de procédures combinées de mise à jour de LA et RA

- Gains: temps de traitementcoûts de maintenance

- Entité UMSC (UMTS MSC) qui regroupe MSC et SGSN

- Prévu dans la Release 4 (réseau tout IP en release 5)

RESEAU D ’ACCES - L ’UTRANRESEAU D ’ACCES - L ’UTRAN

Nouveautés:

- 2 nouvelles interfaces ouvertes:Iub (Node B -RNC)Iur (RNC - RNC)

- Utilisation du CDMA Large Bande

- Introduction de l ’ATM dans les interfaces:Iu (RNC - MSC), Iub (Node B - RNC) et Iur (RNC - RNC)

- Notion de point d ’ancrage sur du trafic Data

RESEAU D ’ACCES - Les constituantsRESEAU D ’ACCES - Les constituants

RNC: Contrôleur des stations de base (Equivalent BSC)Contrôle l ’utilisation et l ’intégrité des ressources

radio

-> Gestion de l ’admission, charge, congestion

-> Gestion de la mobilité (soft handover - procédures de macrodiversité)

-> Allocation de codes

-> Gestion du contrôle de puissance outer loop

RESEAU D ’ACCES - Les constituants RESEAU D ’ACCES - Les constituants Notions différentes de RNC:

- CRNC (RNC de contrôle): contrôle les ressources radio sur les nodes B en charge

- SRNC (RNC serveur): contrôle la connexion d ’un UE en particulier (RNC à l ’établissement de connexion) ainsi que les procédures associées (HO, allocation/résiliation des RAB, contrôle de puissance…)

Le SRNC joue le rôle d ’un point d ’ancrage pour diminuer la charge de signalisation dans le réseau cœur.

Le CRNC joue alors le rôle d ’un simple routeur entre le mobile et le SRNC (notion de Drift RNC DRNC).

Attention toutefois à la charge de signalisation sur l ’Iur !

RESEAU D ’ACCES - Les constituantsRESEAU D ’ACCES - Les constituants Notions différentes de RNC

RNC1RNC1 RNC2RNC2IurIur

Node B1Node B1Node B2Node B2

DEPLACEMENTDEPLACEMENT

SRNCSRNC CRNC CRNC (Node (Node B2)B2)

RESEAU D ’ACCES - Les constituantsRESEAU D ’ACCES - Les constituantsNODE B

Rôle principal: Assurer les fonctions de réception et de transmission radio pour une ou plusieurs cellules

Equivalent de la BTS en GSM/ Nom donné à une station de base

Effectue les procédures de la couche physique:ModulationEtalement de spectreContrôle de puissanceAdaptation de débitPrincipe de RAKESupporte les modes FDD et TDD


LES INTERFACES

Iu (RNC - MSC/SGSN):- Gestion des RAB (allocation, libération et modification)- Relocalisation du SRNC- Fonctions de sécurité- Paging- Réinitialisation du RNC ou du MSC- Transfert de signalisation

Equivalent aux interfaces A et Gb GSM


LES INTERFACES

Iub (RNC - Node B):- Gestion des liens radio- Gestion des mesures radio- Contrôle de puissance

Equivalent à l ’interface Abis GSM


LES INTERFACES

Iur (RNC - RNC):- Echange de signalisation- Gestion des liens radio (notamment procédure de macrodiversité)- Gestion des mesures radio- Contrôle de puissance

Pas d ’équivalent en GSM

LE ROLE DE L ’ATMLE ROLE DE L ’ATM

ATM: Asynchronous Transfert Mode

Technique de transmission combinant les avantages:

- du mode circuit (débit et délai de transmission garantis)

- du mode paquet (possibilité de gains statistiques liés au multiplexage de différents usagers à profil de trafic différent)

LE ROLE DE L ’ATMLE ROLE DE L ’ATM

Mode de transfert dans les réseaux RNIS Large Bande

Possibilité de support de trafic avec des débits variables

Possibilité de préserver la qualité de service des médias véhiculés

En UMTS: transport des interfaces Iu, Iub et Iur

S ’appuie sur des standards des couches physiques déjà définis: FO, SDH

PRINCIPES DE L ’ATMPRINCIPES DE L ’ATM

GSM : Mode de transfert synchrone tramé

ATM : Support de transmission également tramé mais intervalles de temps utilisables par n ’importe quel usager

Cellule de taille fixe (53 octets) et marquage des informations transmises (en-tête de cellule 5 octets)

Mode connecté avec soit :

• Echange de signalisation (circuit virtuel/ commuté) Conduit virtuel

• Connexions permanentes (circuit virtuel permanent) Circuit virtuel

Mécanisme d ’adressage VPI/VCI

PRINCIPES DE L ’ATMPRINCIPES DE L ’ATM Gestion de la qualité de service (couche AAL ATM Adaptation Layer)

• 5 types d ’AAL proposées par l ’ATM en fonction de la QOS requise par l ’usager

• En UMTS, 2 couches d ’AAL utilisées : AAL 2 / AAL 5

• AAL2 : Applications sensibles au délai de transmission Transport de paquets de petite taille Données usager des interfaces Iub, Iur et Iu (cs) transportées

• AAL5 : Applications peu sensibles au délai de transmission Transport de paquets de taille variable Signalisations des interfaces Iu, Iub et Iur et données Iu (PS)

transportées

PROCEDURES DE SECURITEPROCEDURES DE SECURITE

3 procédures proposées en UMTS :

Authentification• Vérifier l ’identité du client• Authentification du réseau par le mobile• Génération des clés de chiffrement et d ’intégrité• Géré par MSC/VLR (CS) et le SGSN (PS)

Chiffrement• Assurer la confidentialité des données transférées sur

le canal radio• Géré par RNC

PROCEDURES DE SECURITEPROCEDURES DE SECURITE

Intégrité

• Nouveau mécanisme par rapport au GSM• Appliquée à la signalisation échangée entre mobile et

réseau (CS et PS)• Permet à l ’entité réceptrice d ’authentifier

l ’émetteur et d ’assurer que le message reçu n ’a pas été altéré ou falsifié au cours de la transmission

• Géré par RNC

UMTS – HSDPA

Le HSDPA : High Speed Downlink Packet Access

Fonctionnalité issue de la release 5 :

- qui permet une évolution du WCDMA existant

- qui propose un débit maximal descendant de 10 Mbit/s (plus grande flexibilité dans l’allocation des ressources), 3,6 Mbit/s en pratique.

UMTS – HSDPA

Hybrid ARQ (Automatic Repeat reQuest)

Permet d’améliorer les transmissions en mode paquet, par l’émission à la demande du récepteur de redondance incrémentale (ce principe avait été introduit par l’EDGE).

UMTS – HSDPA

Alternatif Très Haut Débits = TDD

- Rayon de couverture du TDD fortement réduit. Analogie couche microcellulaire en GSM

- Peu soutenu par les constructeurs d’infrastructure UMTS. Seul Siemens est moteur.

- Brouillages possibles entre les bandes TDD et FDD

- Aucune visibilité sur des terminaux TDD.

Probabilité incertaine d’un essor du TDD en Europe

UMTS – HSDPA

Fonctionnalité HSPDA:

- poussée par les opérateurs (notamment Vodafone)

- motivée par la concurrence technologique des marchés américains et asiatiques :

§ Concurrence au Japon : Foma (W-CDMA), J-Phone/Vodafone (W-CDMA) et KDDI (CDMA)

§ Concurrence aux Etats-Unis : Verizon/Vodafone (CDMA), Cingular (EDGE/W-CDMA), AT&T (EDGE/W-CDMA) et Nextel (CDMA et iDEN)…

§ Pour l’Europe, il n’y a pas concurrence sur les technologies, du moins pas entre CDMA et W-CDMA.

UMTS – HSDPA

Reprise des évolutions de l’Edge…

A. Introduction d’une nouvelle modulation 16 QAM, en complément de la modulation downlink actuelle, QPSK (pas fait au début ?)

B. Modulation adaptative c’est à dire que le réseau contrôle en permanence le lien avec le mobile et adapte la modulation (16 QAM ou QPSK) à la qualité de ce lien.

C. Introduction de nouveaux codages en fonction des conditions radio.

D. Hybrid ARQ qui permet d’améliorer la transmission en incrémentant la redondance des informations.

E. Intelligence du Réseau décentralisée dans le Node B ce qui améliore fortement la réactivité.

UMTS – HSDPA

§ 5 fois plus de débit descendant (1 Mbit/s en nominal x3).

Débit montant inchangé (110 Kbit/s)

§ Réactivité (latence) inférieure à 100 ms (< 300 ms FDD)

§ Disponibilité 2007

UMTS – HSUPA

- High-Speed Uplink Packet Access

- Porte le débit montant (- Porte le débit montant (UplinkUplink) à 5,8 Mbit/s ) à 5,8 Mbit/s théorique (1,4 à 3,6 Mbit/s en pratique)théorique (1,4 à 3,6 Mbit/s en pratique)

-Première communication HSUPA en France en Première communication HSUPA en France en Septembre 2007 sur le réseau Septembre 2007 sur le réseau SFR avec le concours avec le concours de l'équipementier de l'équipementier Alcatel-Lucent. .

- Déploiement de cette technologie au premier - Déploiement de cette technologie au premier semestre 2008.semestre 2008.

- Le futur de HSUPA sera le - Le futur de HSUPA sera le HSOPA (High Speed (High Speed OFDM Packet Access) sur lequel le Packet Access) sur lequel le 3GPP travaille travaille actuellement. actuellement.

CONCLUSIONCONCLUSION

GSM F/TDMA Interface radio en couches (+ ou - complexe)

Distinction équipement circuit / paquet

Handover Compromis marginal trafic

- couverture (coupleur) DL Contrôle de puissance

marginal Mesures radio normalisées

UMTS CDMA Interface radio en couches

(inspiration GPRS niveau 2 + GSM niveau 3

Distinction équipement circuit paquet (Tout IP => release 4/5)

Soft handover + interface IUR Compromis trafic- couverture

(cell Breathing) UL Contrôle de puissance

prépondérant Mesures radio ouvertes

(gestion mobilité)

COMPARATIF GSM / UMTS

CONCLUSIONCONCLUSION

GSM Interface Abis propriétaire BTS BSC Mode de transfert

synchrone Débit 160 kbit/s Localisé

UMTS Interface Iub ouverte Node B RNC Mode de transfert asynchrone Débit 2 Mbit/s ??? Universel ?

COMPARATIF GSM / UMTS

CONCLUSIONCONCLUSIONPERSPECTIVES

- Refus de l’ARCEP en octobre de l’attribution de Refus de l’ARCEP en octobre de l’attribution de la 4e licence (FREE MOBILE / ILIAD) => la 4e licence (FREE MOBILE / ILIAD) => Gouvernement ?Gouvernement ?

-3G dans les DOM : procédure en cours3G dans les DOM : procédure en cours

-3G dans tout le territoire : demande d’attribution 3G dans tout le territoire : demande d’attribution de fréquences dans la bande des 800 MHzde fréquences dans la bande des 800 MHz

- En zone hyper urbaine : complément avec En zone hyper urbaine : complément avec technologie WI MAX en bande 2,6 GHz ?technologie WI MAX en bande 2,6 GHz ?


Technologie mobile dite de quatrième génération, Technologie mobile dite de quatrième génération, (4G):(4G):

Ultra Mobile Broadband (UMB): Ultra Mobile Broadband (UMB): Qualcomm / LG / Qualcomm / LG / Lucent: basé sur CDMALucent: basé sur CDMA

Long Term Evolution (LTE) : Long Term Evolution (LTE) : évolution à long terme, évolution à long terme, caractéristiques similaires à celles de l'UMB de caractéristiques similaires à celles de l'UMB de Qualcomm, compatible avec les réseaux de type GSM. Qualcomm, compatible avec les réseaux de type GSM.


Compétition entre LTE et WiMAXCompétition entre LTE et WiMAX

Nextel, Nextel, troisième opérateur de téléphonie mobile des Etats-Unis : troisième opérateur de téléphonie mobile des Etats-Unis : 5 milliards de dollars à un réseau 5 milliards de dollars à un réseau WiMAXWiMAX (BusinessWeek.com, (BusinessWeek.com, 03/09/07), cible 100 millions d'Américains auront accès d'ici à la fin 03/09/07), cible 100 millions d'Américains auront accès d'ici à la fin de l'année 2008.de l'année 2008.

Verizon Wireless, Verizon Wireless, le numéro deux des opérateurs mobiles le numéro deux des opérateurs mobiles américains, envisage de choisir leaméricains, envisage de choisir le LTE, LTE, qui a le soutien qui a le soutien d'Ericsson d'Ericsson et de Nokia. AT&T / T-Mobile. et de Nokia. AT&T / T-Mobile.


WiMAX mobile : WiMAX mobile :

Samsung en Corée, affirme que cette technologie est si Samsung en Corée, affirme que cette technologie est si performante qu'il n'y aura pas besoin de LTE. performante qu'il n'y aura pas besoin de LTE.

Vitesse moyenne se rapproche plus de Vitesse moyenne se rapproche plus de 30 mégabits.30 mégabits.

Moins coûteux à mettre en service que la technologie mobile 3GMoins coûteux à mettre en service que la technologie mobile 3G

CiscoCisco, a scellé son entrée dans le cercle du WiMAX récemment en , a scellé son entrée dans le cercle du WiMAX récemment en annonçant son intention d'acheter, pour la somme de 330 millions annonçant son intention d'acheter, pour la somme de 330 millions de dollars (228 millions d'euros), de dollars (228 millions d'euros), Navini NetworksNavini Networks, un , un équipementier WiMAX détenteur de brevets cruciaux. équipementier WiMAX détenteur de brevets cruciaux.


Novembre 2007 : Novembre 2007 :

le WiMAX a remporté une victoire significative quand l'Assemblée le WiMAX a remporté une victoire significative quand l'Assemblée des radiocommunications de l'Union internationale des des radiocommunications de l'Union internationale des télécommunications (UIT), une branche de l'Onu, a accepté de télécommunications (UIT), une branche de l'Onu, a accepté de l'intégrer dans ce qu'on appelle la famille de la troisième l'intégrer dans ce qu'on appelle la famille de la troisième génération des standards de téléphonie portable (3G).génération des standards de téléphonie portable (3G). Cet Cet aval permettra à de nombreux pays membres de l'UIT de consacrer aval permettra à de nombreux pays membres de l'UIT de consacrer une une partie des ondes de la radio publique au WiMAX. partie des ondes de la radio publique au WiMAX.

IntelIntel, le plus grand fabricant au monde de puces, prévoit d'intégrer , le plus grand fabricant au monde de puces, prévoit d'intégrer cette technologie aux ordinateurs portables en 2008. Samsung a cette technologie aux ordinateurs portables en 2008. Samsung a déjà dévoilé plusieurs appareils WiMAX ; déjà dévoilé plusieurs appareils WiMAX ; NokiaNokia et et MotorolaMotorola ont ont annoncé qu'ils comptaient aussi commencer à vendre des appareils annoncé qu'ils comptaient aussi commencer à vendre des appareils mobiles utilisant cette technologie en 2008.mobiles utilisant cette technologie en 2008.


Le WiMAX s'implante également dans les Le WiMAX s'implante également dans les pays en voie de pays en voie de développement.développement. La technologie est adoptée rapidement par les La technologie est adoptée rapidement par les opérateurs dans des marchés qui connaissent une croissance opérateurs dans des marchés qui connaissent une croissance rapide, comme le rapide, comme le Brésil, la Chine, l'Inde et la Russie. Brésil, la Chine, l'Inde et la Russie.

ClearwireClearwire, une entreprise très en vue, fondée en 2003 par Craig , une entreprise très en vue, fondée en 2003 par Craig McCaw, pionnier du sans-fil, a rejoint Sprint pour partager le risque McCaw, pionnier du sans-fil, a rejoint Sprint pour partager le risque encouru en fournissant le encouru en fournissant le WiMAX aux Etats-UnisWiMAX aux Etats-Unis. Il a également . Il a également lancé des services en Europe et suggéré qu'il comptait s'implanter lancé des services en Europe et suggéré qu'il comptait s'implanter en Asie et en Amérique du Sud.en Asie et en Amérique du Sud.

"Au moment où le WiMAX est une réalité commerciale, le LTE en "Au moment où le WiMAX est une réalité commerciale, le LTE en est toujours au stade du standard."est toujours au stade du standard."


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A suivre A suivre ??????

U M T S Frédéric D Hont. S O M M A I R E ï ï Présentation du Contexte ï ï L interface Radio...

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