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Introduction à l’UMTS
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Motivations pour un nouveau système
Convergence entre applications informatiques,télécommunications et audio.Services actuels : voix essentiellementÉtendus aux données et combinaison de
voix/données. Nouvelles bandes de fréquences (WARC 92).Migration des acteurs (opérateurs et fournisseurs)
vers des applications et des services plus variés et
plus développés.Avances technologiques (réseaux, systèmes, DSP,…). Définition et développement de nouveaux systèmes.
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Acteurs de la normalisation 3G
• Point de départ : World Radio Conference (1992) qui a réservéles bandes 1885-2025 MHz et 2110-2200 MHz pour l’IMT-2000.• UIT-R (Study Group 8) : travaux sur le FPLMTS ( Future Public
Land Mobile Telecommunications System), devenu IMT-2000( International Mobile Telecommunication).
• Activités régionales : – European Telecommunication Standard Institute (ETSI) en Europe, – Research Institute of Telecommunications Transmission (RITT) en Chine, – Association of Radio Industry and Business (ARIB) et Telecommunication
Technology Committee (TTC) au Japon,
– Telecommunications Technologies Association (TTA) en Corée, – Telecommunication Industry Association (TIA) et TIPI aux USA, – 3GPP : regroupe des membres d’Europe (ETSI), Amérique du Nord (TIPI)
et Asie (ARIB et TTA), pour développer l’UMTS.
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NormalisationL’UIT a défini le concept IMT-2000 pour fédérer les différentes
propositions et parvenir à la définition d’une norme internationale qui : • supporte les applications multimédias,
• supporte les hauts débits (> 2 Mbps),
• permet l’itinérance étendue.
La première échéance était relative au maillon les plus sensible qui est lesegment « radio », appelé RTT ( Radio Transmission Technology). En Juin1998, la « technologie » FDD-CDMA a été retenue.
Deux familles de technologies ont émergé conduisant à la création de deuxregroupements de constructeurs et d’opérateurs de réseaux :
• 3GPP (3rd Generation Partnership Project ) à l’origine de l’UMTS, il ahérité d’un certain nombre de concepts du GSM.
• 3GPP2 : pour garantir une certaine pérennité des systèmes IS-95.
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Principales propositions RTT soumises à l’UIT Description Type Origine
UWC-136 Universal Wireless Communications Terrestre TIACdma2000 CDMA large bande (basé sur IS-95) Terrestre TIA
SAT-CDMA
DECT
Réseau satellite orbite basse Satellite TTA
TD-SCDMA Time division synchronous CDMA Terrestre CATT
ICO RTT Réseau satellite orbite moyenne Satellite ICO
WCDMA CDMA large bande Terrestre ARIB
UTRA Universal Terrestrial Radio Access Terrestre ETSI
Horizons Horizons Satellite System Satellite Immarsat
CDMA I Multiband Synchronous DS-CDMA Terrestre TTA
Digital Enhanced Cordless Telecomm. Terrestre ETSI
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Planning de développement
1998-1999 Définition de l’interface radio
2000 Premières démonstrations de réseaux 3G
Mai 2000 Validation des recommandations IMT-2000 par l’ITU-R
2000-2001 Attribution des licences 3G en Europe
Mi-2001 Premiers réseaux 3G dans les pays tels que le Japon, sur
la base des premières spécifications 3G
Début 2002 Terminaux 3G de base disponibles commercialement, basés sur les spécifications 2000
2002 Services 3G lancés par les opérateurs
Fin 2004 3G disponible commercialement
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Normes 3G approuvées
ITU a approuvé 4 normes (standards) 3G :• EDGE ( Enhanced Data rates for Global Evolution)
– Norme TDMA – Unification de NA-TDMA et GSM – Conforme uniquement à certaines contraintes 3G (2.75G)
• UMTS (Universal Mobile Telephone Service) ou WCDMA (WidebandCDMA) – Norme dominante en dehors des USA – Vu comme la migration vers le 3G pour les systèmes GSM/TDMA
• CDMA 2000 3x-RTT – Appelé également (3X et cdma three) : en concurrence directement avec le W-
CDMA jusqu’à 2Mbps – Vu comme la migration vers le 3G pour les systèmes IS-95 qui dominent auxUSA
• TD-SCDMA : Norme développée et utilisée uniquement en Chine
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UMTS
• UMTS (Universal Mobile TelecommunicationsSystem) est la version européenne du 3G : – Proposé par le 3GPP (3rd generation pertnership project )
– Inclut 2 parties : UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network ) et le cœur de réseau hérité du GSM
• UMTS est un système large bande, basé sur la
transmission circuit et paquet : transmission de textes,voix numérisée, vidéo et multimédia avec des débits
jusqu’à 2 Mb/s.
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Caractéristiques essentielles de l’UMTS (1)
Intégration de services mobiles existants (cellulaire,sans fil, paging, PMR, …)
Choix entre terminaux et fournisseurs de services.
Terminaux flexibles supportant plusieurs interfacesradio ( software radio).
Roaming global pour les terminaux et les services.
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Caractéristiques essentielles de l’UMTS (2)
Anyone, Anywhere, Anytime
regrouper les fonctionnalités et avantages des systèmes existants
Qualité de parole élevée et couverture étendue ( systèmes
cellulaires) Appels de groupe, diffusion de messages, accès rapide etfaibles coûts ( systèmes de radiocommunications privés)
Terminaux de petite taille et couverture dense ( systèmes de RMU )
Communications de débit élevé et d’excellente qualité( systèmes sans cordon) Couverture mondiale ( systèmes satellites) Télémétrie et accès à des sites distants (réseaux de
transmission de données)
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Caractéristiques essentielles de l’UMTS (3)
Qualité de voix similaire à celle du fixe.
Services satellites pour les zones non
couvertes par les BTS terrestres.
Sécurité et techniques anti-fraude contre
l’accès aux données par des personnes ouentités non autorisées.
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Caractéristiques essentielles de l’UMTS (4)
Services mobiles multimédia haut débit : 2 Mb/s pour l’indoor , mobilité réduite (10 km/h), 384 kb/s pour l’outdoor urbain (120 km/h), 144 kb/s pour l’outdoor rural, mobilité importante (500 km/h)
Qualité de service variable (BER entre 10-3 et 10-6, délais entre
30 et 300 ms).Transmission asymétrique et à débit variable.
Services multiples par usager :
Parole : 8 kb/s, Données : 2,4 à 6x64 = 384 kb/s, Vidéo : 384 kb/s, Multimédia.
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Objectifs et caractéristiques (1)
Débits élevés.
Intégration de services.
Accès paquet.
Techniques d’amélioration de capacité :suppression d’interférence, antennes adaptatives, …
Handover inter-systèmes (GSM – 3G) et inter-fréquences (réseaux hiérarchiques).
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Objectifs et caractéristiques (2)
Principal défi : fusionner la couverture radio du téléphonemobile à l’Internet et autres applications multimédia.
Les systèmes 3G doivent fournir :
Gestion multimédia flexible,Accès à Internet,
Services support flexibles,
Accès paquet à coût intéressant pour des services « Best Effort ».Majorité des applications multimédia à travers Internet :
Accès 3G = Internet Mobile
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Objectifs et caractéristiques (3)
Roamingglobal
Accessiblen’importe quand
n’importe où
Les communications personnelles mobiles
feront partie de la « vie »
Voix hautequalité
Applicationsutiles
Données hautdébit en mode
paquet et circuit
Services personnalisés
Tout le monde peut l’utiliser
Tout le monde
peut se permettre
Utile &pratique
Marché demasse
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Les classes de services de l’UMTS (1)
• La classe A, ou conversational : tous les services bidirectionnels impliquant deux interlocuteurs, voire ungroupe de personnes
– Exemples : la téléphonie, la visiophonie ou les jeux interactifs.
Phonie
visiophonie
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Les classes de services de l’UMTS (2)
• La classe B, ou streaming : tous les services impliquantun utilisateur et un serveur de données – Applications asymétriques, les données étant majoritairement
transférées du réseau au mobile
– Exemples : les services de vidéo à la demande, la diffusionradiophonique ou les applications de transfert d’images.
Phonie
Images, vidéo serveur
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Les classes de services de l’UMTS (3)
• La classe C, ou interactive : tous les services danslesquels un usager entretient un dialogue interactifavec un serveur d’applications ou de données – Pas de performances temps réel particulières
– Exemples : la navigation sur Internet, le transfert de fichiers par FTP, le transfert de messages électroniques ou toutesles applications de commerce électronique.
serveur Commande
Réponse
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Les classes de services de l’UMTS (4)
• La classe D, ou background : les informationstransmises sont de priorités inférieures à celles de laclasse C – Caractéristiques assez proches de celles de la classe C
– Exemples : le transfert de fax, la notification de messageélectronique ou de messagerie de type SMS
serveur Données
Données
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Exemples de services UMTS
-BD en ligne-Shopping interactif-Diffusion suivantla localisation
-Classe virtuelle-Librairie en ligne-Labo de langue enligne
-Bureau mobile-Business TV
-Téléphonie audio-Vidéo téléphonie-Vidéo conférence
-Audio à la demande-Jeux à la demande-Visite virtuelle
-Transferts de fonds-Banque en ligne-Banque virtuelle
-Services d’urgence -Aide aux secours
-Télémédecine-Télésurveillance
Information Éducation Business
Communications Loisirs Services financiers
Services communautaires Services spéciaux
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Architecture de base d’un réseauUMTS
MS
USIM
Autres réseauxradio mobiles
RTC/RNIS
Réseaux de données/Internet
CN (Cœur de réseau) Fonctions : transport, gestion de mobilitéBases de données usager, contrôle de service, etc.
CN
RAN ( Radio Access Network ) : Fonctions radio
(gestion de la ressource radio, etc.)
RAN
MS ( Mobile Station)-Interface radio (transmission radio)-Contrôle de service et interface usager)
UMTS Subscriber Identity Module
USIM
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Éléments de réseau d’un PLMNUMTS
USIM
ME
Node B
Node B
Node B
Node B
RNC
RNC
MSC/VLR
SGSN
HLR
GMSC
GGSN
UuIu
Cu IurIub
UE
UTRANCN
PLMN,PSTN,ISDN
Internet
Réseaux
externes
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Fonctions des entités
• UTRAN (réseau d’accès radio) – Node B : convertir le flux de données entre les interfaces Iub et Uu, participer à la gestion des ressources radio
– RNC : gérer les ressources radio de la zone dont il a le contrôle, c’est le point d’accès pour tous les services fournis par l’UTRAN au réseau coeur
• CN (réseau cœur) – HLR : base de données de référence qui gère l’ensemble des abonnés etleurs profils
Circuit Switched (CS) domain• MSC/VLR : commutation des connexions circuit et le VLR contient une copie
du profil de l’abonné et certaines infos de localisation précises • GMSC : connecté directement aux réseaux externes en mode circuit
Packet Switched (PS) domain• SGSN : domaine paquet• GGSN : traitement des connexions en mode paquet
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Terminaux UMTS
• Les téléphones mobiles UMTS combinent : avantagesdes communications mobiles et fonctions multimédia
• UMTS compatible avec d’autres équipements ou
intègre leurs fonctions : PDA (assistant personnel),Microsoft CE, station mobile JAVA, agendaélectronique, PC fixe/portable…
• Mobiles UMTS multi-mode pour profiter de lacouverture d’autres systèmes existants : GSM, DECT,D-AMPS…
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États d’un mobile dans le domaine CS
• Hors tension : mobile dans l’état DETACHED Après attachement : contexte de mobilité créé et mobilerepéré, à la LAC près par le 3G-MSC et au 3G-MSC près
par le HLR
• État IDLE : mobile prêt à initier ou à recevoir unecommunication. Gestion de la mobilité à la charge dumobile (sélection/resélection de cellules)
• État CONNECTED : mobile en communication,avec un circuit établi dans le réseau cœur et le RAN.Gestion de la mobilité à la charge du réseau selon lesmesures réalisées par le mobile et transmises au RNC
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États d’un mobile dans le domaine PS
• Hors tension : mobile dans l’état PMM-DETACHEDaprès attachement : contexte de mobilité créé etmobile repéré, à la RAC près par le 3G-SGSN et au3G-SGSN près par le HLR
• État PMM-IDLE : mobile prêt à initier ou à recevoirune communication. Gestion de la mobilité à lacharge du mobile (sélection/resélection de cellules)
• État PMM-CONNECTED : mobile encommunication. Gestion de la mobilité à la charge duS-RNC (Serving RNC )
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Pourquoi la composante satellitaire ?
Les segments de marché potentiels « verticaux » sont :
• Mobiles embarqués : voiture haute gamme avec ordinateur de bord(comm., navigation…) et interface PC, souvent hors couverture,
• Véhicules commerciaux : légers et lours souvent en roaming horscouverture,
• Industrie primaire : pétrole, gaz et mineraie…impliquant des sites reculés, • Maritime : pêche, commerce, plaisance ayant besoin de service multimédia,• Aéronautique : service multimédia aux passagers et à l’équipage, • Média : journalistes souvent en déplacement,
• Santé : administration des premiers soins dans une ambulance(télémédecine),• Support large bande de secours : lorsque le réseau fixe n’est pas disponible
(pour multimédia).
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3- Interface Radio
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Interface radio et fréquences
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Caractéristiques de l’UTRAN
Mode FDD TDD
Accès multiple DS-CDMA TD-SCDMA
Débit chip 3,84 Mchip/s 3,84 ou 1,28 Mchip/s
Espacement entre
porteusesDurée d’une trame radio
Structure d’une trame
modulationFacteurs d’étalement 4 à 512 1 à 16
Codage canal
4,4 à 5 MHz avec un pas de 200 kHz
10 ms
15 IT/ trame
QPSK
Pas de codage, codes convolutifs (1/2 ou 1/3) ou
Turbo-codes (1/3)
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Le réseau d’accès UTRAN
RNC RNC
NodeB NodeB NodeB NodeB
Iub
Iur
Iu
Réseau coeur
CSdomain
PSdomain
Réseau d’accès
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Caractéristiques du W-CDMA
Avantages du CDMA-DS / FDMA et TDMA Motif cellulaire, Soft et Softer Handover (le mobile se trouve dans une zone de
couverture commune à deux secteurs adjacents d’une même station de base),
Multipath fading exploité avec le récepteur de Rake.W-CDMA : Mode synchrone entre cellules, Facteur d’étalement orthogonal sur les liens descendants,
Réception Rake cohérente sur les deux liens, Contrôle de puissance rapide sur les deux liens, Transmission à débit variable.
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Récepteur de Rake
X
X
démodulateur C(t – t2)
C(t – t1)
r e c o m b i n a
i s o n
-Combiner les différentes contributions reçues et bénéficier du gain liéà la diversité de transmission.
-Dans chaque branche, le signal reçu est corrélé avec une réplique du
code utilisé par l’émetteur, décalé en fonction du temps de propagation
de chacun des trajets.
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Étalement
Mise en voie / Canalisation / Channelization2 niveaux de codage : Codes OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor ) : séquences
orthogonales et ayant des longueurs différentes varier le gain detraitement en fonction du débit usager
Codes de brouillage (Scrambling codes) étalement spectral- Canal descendant : codes de Gold 218 – 1- Canal montant : codes de Kasami 218 – 1 (+ codes de Gold 241 – 1)Remarque :- Dans le sens descendant : chaque cellule utilise un code de brouillage Cs
qui lui est propre indépendance entre canaux de cellules différentes.- Dans le sens montant : à chaque mobile est alloué un code de brouillage Cs
particulier.
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Soft handover
SRNC
NodeB 1
DRNC
NodeB 2
Iu
Iur
Iub
Lien 2Lien 1 Cs1 Cs Cs Cs2
Cs : code de brouillageCs1 & Cs2 : codes de brouillage différents
SRNC : Serving RNCDRNC : Drift RNC
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Rôle du RNC
RNC RNC
Node B
Iur
Iub
Connexion RRC
Serving RNC Drift / Controlling RNC
-Lorsqu’un mobile est en communication, une connexion RRC est établie entre le mobile et un RNC de l’UTRAN (Serving RNC)-Lorsqu’un mobile se déplace en cours de communication, il peut se trouver dans une cellule faisant partie d’un Node B ne dépendant plus de son SRNC On appelle Controlling ou Drift RNC le RNC en charge de ces cellules distantes.
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Contrôle de puissance
• Problème sur la voie montante : effet proche-lointain (near fareffect ).
• Sur la voie descendante : limiter les interférences générées surles cellules voisines
• Contrôle de puissance lent sur le lien montant : lutte contre leseffets des évanouissements à grande échelle ( shadow fading ).
• Contrôle de puissance rapide sur les deux liens : lutte contre
les évanouissements rapides ( Rayleigh fading ).• Dynamique de variation de la puissance de transmission de 80
dB sur le lien montant et de 30 dB sur le lien descendant .
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Procédures de sécurité
• 3 procédures de sécurité : l’authentification, le chiffrement et l’intégrité
• K clé associée à l’IMSI :
F2(K, RAND) = XRES ou RES
F4(K, RAND) = IK ( Integrity Key), F3(K, RAND) = CK (Ciphering Key)
• HLR fournit au MSC/VLR le quintuplés (RAND, XRES, IK, CK, AUTN)où AUTN (Authentication Token) est généré par les algorithmes F1 et F5à partir de K et RAND.
• Intégrité : s’applique à la signalisation MS-réseau. Protection de
l’ensemble des messages de signalisation RRC échangés entre MS et leSRNC, et le CN (concerne les couches MM, CC, GMM et SM), exceptésles messages d’établissement de connexion ou de diffusion des infossystème.
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La procédure d’authentification
MAP Send Authentication Info (IMSI)
MAP Authentication Info Ack (RAND/XRES/CK/IK/AUTN)
MM Authentication Request (RAND/AUTN)
MM Authentication Response (RES)
AUTNRES
K/RANDK/RAND
F1,F5F2
K/RAND
K/RAND
F1,F5
F2
AUTN
XRES1
2
Mobile MSC/VLR HLR/AuC
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Génération des clés de chiffrement et d’intégrité
USIM AuC
F3 F4
RANDK
CK IK
F3 F4
RANDK
CK IK
MobileRéseau Coeur
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4- Réseau fixe (NSS) et
architecture UMTS
Ré é d’ è
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Réseau cœur et réseau d’accès
• UMTS : réseau cœur (CN : Core Network) + réseau d’accès
(AN : Access Network) + équipement utilisateur (UE : UserEquipment) intégrant une carte USIM.
• Iu est l’interface entre CN et AN.
Réseau cœur GSM
Réseau cœur IP GPRS
Réseau cœur IS-41
Cdma 2000
EDGE
TDD ModeTD-CDMA
WCDMA
Inter-workingfunctions
CN
CN
BRAN SRAN UTRAN
Réseau d’accès
Iu
BRAN : Broadband Radio Access NetworkSRAN : Satellite Radio Access NetworkUTRAN : UMTS Terrestrial Radio Access
Network
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Le découpage en strates
Radio(Uu)
IuMobile UTRAN CN
Non Acces Stratum
Access Stratum
P r o t o c o l e s r a d i o
P r o t o c o l e s r a d i o
P r o t o c o l e s I u
P r o t o c o l e s I u
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Access Stratum et Non Access Stratum
• Access Stratum (AS) : Toutes les fonctions liées au réseaud’accès – Fonctions de gestion des ressources radio et de handover
– Protocoles de l’interface radio
– Protocoles de l’interface Iu • Non Access Stratum (NAS)
– Fonctions d’établissement d’appel correspondant aux couches de protocoles CC (Call Control ) pour les appels circuit et SM (Session Management ) pour les appels paquet.
– Fonctions de gestion de la mobilité des mobiles en mode veille (MM : Mobility Management pour les appels circuit, GMM : GPRS Mobility Management pour les appels paquet)
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Qualité de service
QoS = Ensemble d’attributs de service Classe de service,
Débit crête,Débit garanti,
Taux d’erreur résiduel,
Type de trafic.
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Caractéristiques du NSS
• 1 seul Core Network simplifie la gestion du réseau,• 1 Core Network basé sur les technologies IP,• Une architecture orientée Client/Serveur avec des
solutions standard IP,
• Utilisation de serveurs de téléphonie et d’unitésd’interconnexion pour le support des servicesspécifiques RTC/RNIS (voix, fax, modem,…),
• Utilisation de technologies proxy pour le transportefficace de données sur l’interface radio,
• Amélioration de la QoS pour satisfaire toutes lesapplications temps-réel,
• Utilisation de routeurs très haut débit (terabit routers).
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Utilité d’un cœur de réseau IP
• Données plus importantes que la voix dans le futur Besoin de réseaux optimisés
- Avant : données sur des réseaux CS optimisés pour la voix- Aujourd’hui : réseaux PS et CS co-existants
- Demain : voix sur réseaux de données optimisés pour la voixet les données
• L’intégration de services nécessite un réseau unifié- Pas de différence entre les media (voix, données, vidéo)
- Pas d’appels dépendant du média mais des sessionsindépendantes du média
• Facil i téde gestion
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Protocoles Réseau
UMTS ServicesVHF, Multimédia, Telecom Services,Services capabilities, OSA, Application
Transport Network
ISUP GSM/UMTSCore Network IP
Radio Access Network
GSM
BSS
WCDMA
RAN
Network Management
ProvisioningCharging
ISUP, INAP, TCP/IP, MAP
GSM/UMTS and UMTS terminals
Architect re d résea GSM/GPRS
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Architecture du réseau GSM/GPRS
G b GsGd Gr
Gf
Gc
GiGn
Gn
G p
A AbisHLR
EIR
MS
BSC MSC/VLRSMS-GMSC ouSMS-IWMSC
SGSN
SGSN GGSN
Réseau fédérateur GPRSIntra-PLMN
GGSN
Autre PLMN
Réseau de donnéesX25, IP,… = réseau PDP
Signalisation ettransmission de données
Signalisation pure(en ce qui concerne GPRS)
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Architecture du réseau GSM
MS BSCBTS
BTS
Abis
OMC-R
TRAU
MSC/VLR
NSSBSS OMC-N
HLR
PSTN
Plate-forme IN
A hit t é é l d l’UMTS
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Architecture générale de l’UMTS
MS
MS
Um
Uu
BTS
Node B
BSC
RNC
A
Iu
Iu
SGSN
Réseau
IP
InfrastructureGPRS
BG GGSN
GrHLR-AuC
C
F
RTC
EIR
MSC
RéseauInternet-intranet
Gi
PLMN PLMN
Réseauinter-PLMN
T i l i UMTS GSM
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Terminologie UMTS-GSMUMTS GSM Commentaire
UE (User Equipment) MS (Mobile station)
Node B BTS (Base TransceiverStation
Un NodeB est moins autonomequ’une BTS
RNC (Radio Network Controller) BSC (Base station
Controller)
Un RNC est plus complexe qu’unBSC puisqu’il contrôle
complètement les NodeB
UMSC (UMTS MSC) MSC (Mobile-servicesswitching Center)
RNS (Radio Network Subsystem) BSS (Base StationSubsystem)
Interface Iub Interface Abis Entre BTS et BSC (NodeB-RNC)
Interface Iu Interface A Entre BSC (RNC) et réseau coeur
Interface Iur Inexistante Entre 2 RNC
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Services de localisation
• Services de localisation (LCS : LoCation Services) : utilisés par les opérateurs, le mobile d’un abonné et un fournisseur deservice tiers. Information de localisation horodatée avecestimation de l’erreur de localisation.
• BD (GMLC : Gateway Mobile Location Center ).
• Le RNC réalise la plupart des fonctions de localisation.Méthodes :
- Cell Id,- OTDOA (Observed Time Difference Of Arrival ) : basée sur les
mesures faites par UE à partir des délais de propagation dessignaux pilotes des NB : UE calcule le RTD ( Relative Time Difference) entre trois NB ; ces trois RTD donnent la positionexacte de UE.
- GPS (Global Positioning System).
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Réseau fixe
2 options :
Architecture basée sur l’ATM
Utilisation d’une architecture où le transportd’informations usager est indépendant ducontrôle
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