U M T S Notes : Frédéric D ’Hont 1

S 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 CONTEXTE

U M T S EVOLUTION 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 HIGH 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 ENHANCED DATA RATE FOR GSM EVOLUTION PRINCIPE : 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 NIVEAU 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 Notes :

ETAT 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

INCOMPATIBILITE DES SYSTEMES EXISTANTS 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) Notes :

QU ’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 Notes :

LES 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 Notes : 2

UNE NORMALISATION INTERNATIONALE 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) Notes :

LES DATES « CLE » 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 Notes :

LES DATES « CLE » 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 Notes :

LES DATES « CLE » 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 Notes :

Europe 1900 - 2025 MHz (couplé au DECT partie basse 1880-1900) BANDES 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) Etats Unis ????? En Europe hors satellite : bande [ 1900, 1980] U [2010,2025] U [2110, 2170] MHz Largeur de porteuse de 5 MHz Notes :

UN SYSTEME ETABLI PAR DES CONSTRUCTEURS Différent du GSM Principaux acteurs : Constructeurs : ERICSSON NOKIA NORTEL SIEMENS sur TDD Opérateurs : VODAFONE NTT Do Co Mo Notes :

QUELS SERVICES ? Téléphonie Services d ’information Accès intra/extranet mobile Messagerie multimédia Services de localisation Accès internet mobile Notes :

Services Point à point Symétriques : Téléphonie Conférence téléphonique Vidéo conférence Asymétriques : Email Télécopie Accès données (journal, vidéo, shopping,…) Service médical à distance (imagerie) Accès internet Notes :

Services Multipoint Paging Radio mobile TV mobile Services de distribution d’information (métro, trafic, sport,….) ou de musiques Paging Notes :

SEPARATION RESEAU D ’ACCES ET RESEAU COEUR  Flexibilité du réseau accès (# GSM)  Découpage en 2 strates OBJECTIF Séparation de niveaux de services indépendants Modélisation en strates AS (Access Stratum) et NAS (Non Access Stratum) Notes :

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 Notes :

SEPARATION RESEAU ACCES ET RESEAU COEUR  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 RESEAU COEUR IU IU IU Notes : UTRAN SRAN BRAN Réseaux d ’accès

L ’INTERFACE RADIO Notes :

L ’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…) Notes :

DIFFERENCES 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] Notes :

LA 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 Notes :

PRINCIPE DE L ’ETALEMENT DE SPECTRE Etalement de la puissance du signal d ’information sur une bande de fréquence plus large Signal usager X X (Transmission) Filtre/récepteur Séquence d ’étalement Séquence d ’étalement Séquence récupérée Notes :

SPREADING FACTOR (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) Notes :

CHIP 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}) Notes :

LES 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 Notes :

LES 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) Notes :

LES CHANNELIZATION CODES 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 C4,1 = (1,1,1,1) C 2,1 = (1,1) C4,2 = (1,1,-1,-1) C 1,1 = (1) C4,3 = (1,-1,1,-1) C2,2 = (1,-1) C4,4 = (1,-1, -1, 1) Notes : SF = 1 SF = 2 SF = 4 ….

LES CHANNELIZATION CODES 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) Notes :

LES SCRAMBLING CODES X X 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) X X OVSF Codes de brouillage Notes :

AFFECTATION 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 Notes :

OPTIMISATION DE L ’UTILISATION DES 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 Notes :

PLANIFICATION 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 Notes :

LIMITE 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 Notes :

LES 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 Notes : Canaux physiques

LES 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) Notes :

LES 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 Notes :

NOTION 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

NOTION DE QOS 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

NOTION DE QOS Conversationnel (phonie, visiophonie, jeux) 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

NOTION DE QOS ACTIONS DE L ’UTRAN Choix du codage canal Dimensionnement des ressources radio et configuration des protocoles radio (laissé libre au constructeur)

NOTION DE QOS 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 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 Notes :

LA 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 Notes :

Adaptation de la taille des blocs au dimensionnement des canaux 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) Notes :

Objectif : Palier aux erreurs de transmission radio 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) Notes :

Etalement et modulation Utilisation des codes Modulation QPSK (modulation de phase) Notes :

RECHERCHE 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 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 RESSOURCES 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 MANAGEMENT Nouveau RAB RAB rejeté Contrôle d ’admission Allocation de codes, de puissance et de la station de base Contrôle de congestion: HO Puissance Préemption NOK RAB accepté RAB rejeté RAB accepté

PRINCIPE DU CELL BREATHING - LIMITATION 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 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

CONTRÔLE DE PUISSANCE Très réactif A plusieurs niveaux (réseau, station de base, mobile) Garantit le RAB

Open Loop Power Control CONTRÔLE DE PUISSANCE 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

Inner Loop Power Control CONTRÔLE DE PUISSANCE 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

Outer Loop Power Control CONTRÔLE DE PUISSANCE Troisième type: Outer Loop Power Control Gère la qualité globale de la communication Effectué par le réseau Plus lent que Inner Lopp (2e niveau)

Objectif: Permettre d ’avoir un Eb plus fort SOFT 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 HANDOVER Softer HO Autres 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

Squal (qualité) > 0 et SrxLev (champ) > 0 L ’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 ’ACCES Classement suivant un critère radio : -> S/B canal CPICH Choix de la cellule Classement suivant un critère radio : -> S/B canal CPICH -> Niveau reçu sur canal CPICH

LA GESTION DE LA MOBILITE MODE VEILLE MODE CONNECTE

LA GESTION DE LA MOBILITE Gestion 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 VEILLE 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 resélections Qoffset 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 CONNECTE 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

LA GESTION DE LA MOBILITE EN MODE CONNECTE 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)

LA GESTION DE LA MOBILITE EN MODE CONNECTE 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

LA GESTION DE LA MOBILITE EN MODE CONNECTE Différents niveaux d ’état connecté: Tri par niveau d ’activité décroissant: CELL_DCH CELL_FACH CELL_PCH URA_PCH

LA GESTION DE LA MOBILITE EN MODE CONNECTE 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)

LA GESTION DE LA MOBILITE EN MODE CONNECTE 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

Objectif: diminuer le temps de calcul LES 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 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 couches - 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 couches 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 Segmentation interface 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 ’ARCHITECTURE DE L ’UMTS

L ’architecture de l ’UMTS Uu Iu UE UTRAN RESEAU COEUR User Equipment

L ’architecture de l ’UMTS - Réseau cœur GSM / UMTS très similaires - Réseau d ’Accès: RNC (Radio Network Controller) Equivalent BSC Node B Equivalent BTS

L ’architecture de l ’UMTS GMSC MSC3G VLR PSTN Iub Node B RNC SGSN GGSN Réseau de données de paquet (INTERNET) RNS : Radio Network Subsystem RNC : Radio Network Controller UTRAN : Universal Terrestrial Radio Acces Network

L ’architecture de l ’UMTS AuC GMSC C GGSN H HLR EIR Gd Gn VLR MSC D Gf RESEAU COEUR F Gs SGSN Iu Iu RNC RNC Iur Iub Node B Node B Node B Uu UE RESEAU D ’ACCES

Réseau d ’Accès et réseau coeur 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) - UICC (Universal Integrated Circuit Card): carte à puce - USIM (Universal Subscriber Identity Module): Application contenue dans l ’UICC permettant l ’accès aux services Contient: IMSI MSISDN Identités temporaires de l ’usager (TMSI / PTMSI) Identités des zones de localisation courantes de l ’UE Clés de chiffrement et d ’intégrité Liste des réseaux interdits

Le 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 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 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 traitement coûts 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 ’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 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 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 constituants Notions différentes de RNC Iur SRNC RNC1 RNC2 CRNC (Node B2) Node B1 Node B2 DEPLACEMENT

RESEAU D ’ACCES - Les constituants NODE 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: Modulation Etalement de spectre Contrôle de puissance Adaptation de débit Principe de RAKE Supporte les modes FDD et TDD

RESEAU D ’ACCES - Les constituants 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

RESEAU D ’ACCES - Les constituants LES INTERFACES Iub (RNC - Node B): - Gestion des liens radio - Gestion des mesures radio - Contrôle de puissance Equivalent à l ’interface Abis GSM

RESEAU D ’ACCES - Les constituants 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 ’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 ’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 ’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 ’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 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 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 (Uplink) à 5,8 Mbit/s théorique (1,4 à 3,6 Mbit/s en pratique) Première communication HSUPA en France en Septembre 2007 sur le réseau SFR avec le concours de l'équipementier Alcatel-Lucent. - Déploiement de cette technologie au premier semestre 2008. - Le futur de HSUPA sera le HSOPA (High Speed OFDM Packet Access) sur lequel le 3GPP travaille actuellement.

CONCLUSION GSM UMTS COMPARATIF GSM / UMTS F/TDMA CDMA 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)

CONCLUSION UMTS GSM COMPARATIF GSM / UMTS Interface Iub ouverte Node B RNC Mode de transfert asynchrone Débit 2 Mbit/s ??? Universel ? GSM Interface Abis propriétaire BTS BSC Mode de transfert synchrone Débit 160 kbit/s Localisé

CONCLUSION PERSPECTIVES Refus de l’ARCEP en octobre de l’attribution de la 4e licence (FREE MOBILE / ILIAD) => Gouvernement ? 3G dans les DOM : procédure en cours 3G dans tout le territoire : demande d’attribution de fréquences dans la bande des 800 MHz En zone hyper urbaine : complément avec technologie WI MAX en bande 2,6 GHz ?

CONCLUSION Technologie mobile dite de quatrième génération, (4G): PERSPECTIVES Technologie mobile dite de quatrième génération, (4G): Ultra Mobile Broadband (UMB): Qualcomm / LG / Lucent: basé sur CDMA Long Term Evolution (LTE) : évolution à long terme, caractéristiques similaires à celles de l'UMB de Qualcomm, compatible avec les réseaux de type GSM.

CONCLUSION PERSPECTIVES Compétition entre LTE et WiMAX Nextel, troisième opérateur de téléphonie mobile des Etats-Unis : 5 milliards de dollars à un réseau WiMAX (BusinessWeek.com, 03/09/07), cible 100 millions d'Américains auront accès d'ici à la fin de l'année 2008. Verizon Wireless, le numéro deux des opérateurs mobiles américains, envisage de choisir le LTE, qui a le soutien d'Ericsson et de Nokia. AT&T / T-Mobile.

CONCLUSION PERSPECTIVES WiMAX mobile : Samsung en Corée, affirme que cette technologie est si performante qu'il n'y aura pas besoin de LTE. Vitesse moyenne se rapproche plus de 30 mégabits. Moins coûteux à mettre en service que la technologie mobile 3G Cisco, a scellé son entrée dans le cercle du WiMAX récemment en annonçant son intention d'acheter, pour la somme de 330 millions de dollars (228 millions d'euros), Navini Networks, un équipementier WiMAX détenteur de brevets cruciaux.

CONCLUSION PERSPECTIVES Novembre 2007 : le WiMAX a remporté une victoire significative quand l'Assemblée des radiocommunications de l'Union internationale des télécommunications (UIT), une branche de l'Onu, a accepté de l'intégrer dans ce qu'on appelle la famille de la troisième génération des standards de téléphonie portable (3G). Cet aval permettra à de nombreux pays membres de l'UIT de consacrer une partie des ondes de la radio publique au WiMAX. Intel, le plus grand fabricant au monde de puces, prévoit d'intégrer cette technologie aux ordinateurs portables en 2008. Samsung a déjà dévoilé plusieurs appareils WiMAX ; Nokia et Motorola ont annoncé qu'ils comptaient aussi commencer à vendre des appareils mobiles utilisant cette technologie en 2008.

CONCLUSION PERSPECTIVES Le WiMAX s'implante également dans les pays en voie de développement. La technologie est adoptée rapidement par les opérateurs dans des marchés qui connaissent une croissance rapide, comme le Brésil, la Chine, l'Inde et la Russie. Clearwire, une entreprise très en vue, fondée en 2003 par Craig McCaw, pionnier du sans-fil, a rejoint Sprint pour partager le risque encouru en fournissant le WiMAX aux Etats-Unis. Il a également lancé des services en Europe et suggéré qu'il comptait s'implanter en Asie et en Amérique du Sud. "Au moment où le WiMAX est une réalité commerciale, le LTE en est toujours au stade du standard."

CONCLUSION PERSPECTIVES Bémol: Le Suédois Ericsson, numéro 1 des équipementiers télécoms, a déclaré que contrairement à ses collègues, il ne fabriquerait pas de matériel WiMAX ; selon lui, celui-ci n'est pas optimisé pour des appels vocaux mobiles. A suivre ???