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L’UMTSUniversal Mobile Telecommunication System

Arnaud Fremiot, Marcin Bortnik

Plan

• Historique• Le 3GPP• Les services UMTS• La radio• L’architecture• Le protocole• La mobilité• Mise en œuvre des tests

Historique

Historique

• Constat– Les réseaux 2G ne sont pas compatibles entre eux

– Limite des possibilités atteinte

– Besoin d’une nouvelle technologie pour offrir de nouveaux services de couverture " Mondiale "

Nécessité de créer une 3G normalisée au plan mondial

Historique

• Résultats– Plusieurs technologies 3G

– L’UMTS est l’une des principales

– Création du 3GPP (3rd Geneartion Partenership Project)

Depuis début 1999 le 3GPP travaille à la normalisation de l’UMTS

Le 3GPP

Le 3GPP

En charge de la normalisation de l’UMTS, il se compose de 5 sous groupes:

– SA : Service and System Aspects

– CN : Core Network

– RAN : Radio Access Network

– T : Terminals

– GERAN: GPRS EDGE Radio Access Network

Le 3GPP

Le 3GPP travaille sur plusieurs version de normes en même temps

• La Release 99 qui correspond aux réseaux actuellement en cours de déploiement . Cette version modifie profondément la partie radio ( introduction du CDMA)

• La R4 devrait modifiée l’architecture Core Network

• La R5 HSDPA, IMS (multimédia haut débit)

• La R6 HSUPA, MBMS

Les services UMTS

UMTS / GSM

En comparaison avec le GSM, la partie radio de l’UMTS a été la plus profondément modifiée

– accès radio se fait en WCDMA (partage de la bande de fréquence)

– Les RNC (ex BSC) communiquent entre eux– Le transport des données et de la signalisation sont

basés sur l’ATM – Introduction de nouveaux service grâce à

l’augmentation des débits– Support pour les differentes qualités de service

Les services UMTS

• Sur le domine Circuit (CS)– La visiophonie– Les data

• Sur le domaine paquet (PS)– Le 384/64, 128/64, 64/64

• Les multi-appels– 1PS + 1CS– 2 PS– 1CS + 2PS

L’USIM (Universal Subscriber Identity Module) L’application USIM contient toutes les données

relatives à l’abonné, parmi lesquelles on trouve :

– l’IMSI (International Mobile Subscriber Identity),

– le MSISDN (Mobile Station International ISDN Number),

– la langue préférée, utilisée pour l’affichage des informations sur le terminal,

– les clés de chiffrement et d’intégrité,

– la liste des réseaux interdits,

– les identités temporaires de l’usager vis-à-vis des domaines Cs et Ps (TMSI et P-TMSI) ;

– les identités des zones de localisation courantes du mobile pour les domaines Cs et Ps.

Le RAB Radio Access Bearer

Définit les caractéristiques d’une communication – La classe de service– Débit max– Débit garanti– Taille des SDU– Taux d’erreur SDU – Taux d’erreur résiduel– Délai de transfert– Priorité de la communication– Préemption et vulnérabilité

Les Classes de Service

L’UMTS introduit la notion de classes de servive

• Conversational

• Streaming

• Interactive

• Background

Les Classes de ServiceLes principales caractéristiques sont

Conversational •real time

•Symétrique

Garantie des délais de transfert

< 200ms

Voix, videophonie

Streaming •real time

•asymétrique

Délais plus long mais doit garantir la QoS

Streaming multimedia

Interactive •Non real time

•asymétrique

Garantir l’absence d’erreur

Web brosing

Background •Non real time

•asymétrique

Info transmise avec la plus faible priorité

download

La Radio

L’interface Radio

L’UMTS spécifie deux modes de fonctionnement

• Le TDD : le sens montant et le descendant utilisent la même fréquence mais alternativement

• Le FDD : le sens montant et le sens descendant utilisent une fréquence propre

Dans la suite de l’exposé seul le FDD sera présenté

Le FDMA (Frequency Division Multiple Access)FDMA

f 1

f 2

f 3

Fré

quen

ce

Temps

utilisateur 3utilisateur 2utilisateur 1

Le TDMA (Time Division Multiple Access)TDMA

T 1 T 1 + X T 1 +2X

Temps

Fréquenceutilisateur 1utilisateur 2utilisateur 3

Le CDMA (Code Division Multiple Access)

Utilisateur 3

Utilisateur 2

Utilisateur 1

Temps

Code

Fréquence

Les codes OVSF(Orthogonal Variable Spreading Factor)

Tous les récepteurs reçoivent le même signal contenant leurs informations mais aussi celles des autres utilisateurs– Les codes orthogonaux utilisés permettent à chaque récepteur de

n’extraire que ce qui le concerne – Les codes n’ont pas tous la même longueur ce qui permet d’avoir

plusieurs débits de données possibles

– Puisque les émetteurs ne sont pas synchronisés, un deuxième niveau de codage est nécessaire. Ceci est réalisé avec les codes de brouillage ou Scrambling codes

C1,1= 1

C2,1= 1,1

C2,2= 1,-1

C4,1= 1,1,1,1

C4,2= 1,1,-1,-1C4,3= 1,-1,1,-1

C4,4= 1,-1,-1,1

Les codes Les codes de brouillage sont pseudo-aléatoires et quasi-

orthogonaux, meme si les émetteurs ne sont pas synchronisés

Pour les sens descendant (réseau vers mobile):– Les cannaux d'une cellule sont synchronisés– Les cellules ne sont pas synchronisées entre elles– Le code de brouillage est unique pour chaque Cellule

Cela permet d’utiliser tous les codes OVSF sur chaque cellule

Pour le sens montant (mobile vers réseau):– La synchronisation des mobiles entre eux n'est pas possible– Le réseau alloue un code de brouillage unique à chaque mobile

Cela permet d’utiliser tous les codes OVSF sur chaque mobile

La planification

• La bande de fréquence est la même sur toutes les cellules

• Le code de brouillage d’une cellule doit être différent de celui de ces voisines

Il en résulte la nécessité d’avoir un plan de code pour l’opérateur

Le contrôle de puissance

• Tous les émetteurs utilisent la même bande de fréquence

• Pour un récepteur "accordé" sur un code les autres signaux apparaissent comme des interférences

Il est donc important que tous les signaux arrivent avec un même niveau de puissance au récepteur

Eb et NO

Eb : Energie par bit utile

N0 : Densité spectrale de bruit

Pi : Puissance reçu par i

D : débit utile

B : bande de transmission du signal ( 5MHz)

Eb= Pi / D N0= ( Pj + P0) / B

L’interface Radio

PHY

MAC

RLC

RRC

BMCPDCP

Plan de contrôlePlan utilisateur

L3

L2

L1

Signaling radio Bearer

User plane radio Bearer

Canaux logiques

Canaux Physiques

L’interface Radio

• MAC, Medium Access Control :– fait le multiplexage des données sur les Transport Channel

• RLC, Radio link Control : – assure le contrôle de la bonne transmission des Données

provenant des couches supérieures

• PDCP, Packet Data Convergence Protocol :– Assure l’indépendance entre les couches supérieures et les

couches RLC/MAC

• BMC, Broadcast/ Multicast Control :– Assure la transmission des informations provenant d’un centre

Cell Broadcast (provient du GSM)

Logical Channels

• Control Channels• BCCH : Brodcast Control Channel Down Link

• PCCH : Paging Control Channel Down Link

• DCCH : Dedicated Control Channel point to point

• CCCH : Common Control Channel bidirectionnal (onto FACH/RACH)

• Traffic Channels• DTCH : Dedicated Trafiic Channel point to point

• CTCH : Common Traffic Channel point multi point

Transport Channels

RACH : Random Access Channel UL

DCH : Dedicated Channel bidirectionel

PCH : Paging Channel DL

BCH : Broad cast Channel DL

FACH : Forward Access Channel DL

DSCH : Downlink Shared Channel DL

Les différents états d’un Mobile

Idle

Cell DCH

URA PCH

Cell FACH

Cell PCH

Mobile connecté

Mobile non connecté

Les différents états d’un MobileIdle : – le mobile ne possède aucune connections

Cell DCH : – des canaux de transport dédiés sont alloués

– La molibilité est gérée par le réseau

Cell FACH– Aucun canal de transport dédié alloué

– Le réseau et le mobile ont la possibilité de transferer des données en utilisant les cannaux FACH ou RACH

Les différents états d’un Mobile

Cell PCH– Aucun canal de transport alloué

– Le mobile écoute les canaux BCH et PCH

– Le mobile signal tout changement de cellule

URA PCH– Aucun canal de transport n’est alloué

– Le mobile écoute les canaux BCH et PCH

– Le mobile signal les changements d’URA

L’architecture

Architecture Logique UMTS

Node B

Node B

Node B

Node B

RNC

RNC

Iu b

Iu b

Iu b

Iu b

Iu CS

Iu CS

Iu PS

Iu PS

Iu r

MSCVLR

SGSN GGSN

GMSC

HLR

IP

world

IP

world

PS

TN

PS

TN

Gn Gi

GsGr

D

N

Gc

C

Architecture Logique GSM

BTS

BTS

BTS

BTS

BSC

BSC

Abis

Abis

Abis

Abis

A

A

Gb

GB

MSCVLR

SGSN GGSN

GMSC

HLR

IP

world

IP

world

PS

TN

PS

TN

Gn Gi

GsGr

D

N

Gc

C

Architecture Logique UMTS GSM

BTS

BTS

BSCAbis

Abis

A

Gb

MSCVLR

SGSN GGSN

GMSC

HLR

IP

world

IP

world

PS

TN

PS

TN

Gn Gi

GsGr

D

N

Gc

CNode B

Node B

Node B

Node B

RNC

RNC

Iu b

Iu b

Iu b

Iu b

Iu CS

Iu CS

Iu PS

Iu PS

Iu r

Architecture "physique"

Node B

Node B

Node B

Node B

RNC

RNC

Backbone ATM

Backbone ATM

MSCVLR

SGSN GGSN

GMSC

HLR

IP

world

IP

world

PS

TN

PS

TN

Iu CS

Iu PS

Gn Gi

GsGr

D

N

Gc

C

MGWIu r

Iu bE1

Iu bE1

Iu bE1

Iu bE1

Iu CS/PSSTM1

Iu CS/PSSTM1

Iu bSTM1

Iu bSTM1

Le protocole

Couches protocolaires Iu CS

ATM

ALL5

SSCF-NNISSCOP

SCCPMTP3-B

RANAP

ALL5

SSCF-NNISSCOP

Q.2150.1MTP3-B

Q.2630.1

AAL2

Iu User PlaneProtocol

Physical layer

Transport NetwokControl Plane

Transport NetwokUser Plane


RadioNetwork

Layer

TransportNetwork

Layer

Control Plane User Plane

Couches protocolaires Iu PS

ATM

RANAP

ATM

AAL5

Iu User PlaneProtocol

Physical layer




RadioNetwork

Layer

TransportNetwork

Layer


Physical layer

ALL5

SCCPMTP3-B M3UA

SSCF-NNI SCTP

SSCOP IP IPUDP

GTP-U

Couches protocolaires Iu r

ATM

RNSAP

ATM

AAL2

Physical layer




RadioNetwork

Layer

TransportNetwork

Layer


Physical layer

ALL5

SCCPMTP3-B M3UA

SSCF-NNI SCTP

SSCOP IP

ALL5

Q.2150.1MTP3-B M3UA

SSCF-NNI SCTP

SSCOP IP

Q.2630.1

DCHFP

CCHFP

Couches protocolaires Iu b

ATM

NBAP

AAL2

Physical layer




RadioNetwork

Layer

TransportNetwork

Layer

Control PlaneUser Plane

ALL5

SSCF-UNISSCOP

ALL5

Q.2150.12

Q.2630.1

DC

H F

P

SSCF-UNISSCOP

RA

CH

FP

FA

CH

FP

PC

H F

DS

CH

FP

US

CH

FP

La mobilité

La mobilité

Les differentes découpes du réseau

– LA : Location Area Code domaine CS

– RA : Routing Area domaine PS

– Cell

Une LA peut contenir plusieurs RA

Une RA peut contenir plusieurs Cell

La mobilité CSRNC MSC/VLR

H

Etablissement RRC

MM Location Update Request TMSI

Authentification Chiffrement

MM Location Update Accept TMSI

MM TMSI relocation Complet

La mobilité PSRNC SGSN

H

Etablissement RRC

GMM RA Update Request TMSI

Authentification Chiffrement

GMM RA Update Accept TMSI

GMM RA Update Complet

Les Handovers

Le softer HO

RNC

Node B

Node B

Secteur 1

Secteur 2

Secteur 1

Secteur 2

Secteur 3

Secteur 3CN

f 1

f 1

f 1

f 1

f 1

f 1

Les Handovers

Le soft HO

CN

RNC

RNC

Node B

Node B

Node B

Node B

f 1

f 1

f 1

f 1

Les Handovers

Le Hard HO

CN

RNC

RNC

Node B

Node B

Node B

Node B

f 1

f 1

f 2

f 2

Les Handovers

SRNS relocation

CN

RNC

RNC

Node B

Node B

Node B

Node B

f 1

f 1

f 1

f 1

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