Réseaux mobiles et réseaux sans fil Khaldoun Al Agha alagha@lri.fr

Introduction

Les grandes directions Télécom Le réseau téléphonique Le RNIS Le multimédia Informatique L ’interconnexion d ’ordinateurs L ’interconnexion de réseaux (Inter Net) L ’Internet La parole et la vidéo Câblo-opérateur La vidéo de type télévision Intégration canaux téléphoniques et accès à Internet

La convergence Voix sur réseau Fixe Voix sur réseau Mobile Internet 1,000 Voix sur réseau Fixe 800 600 Voix sur réseau Mobile (millions) 400 Internet 200 1994 1996 1998 2000 2002

La convergence des applications Internet Fixe Internet Mobile Applications communes et portails multi-accès Toujours connecté et disponible + Localisation Applications haut débit Peut-il y avoir des applications communes?

Réseaux de mobiles

Introduction Sans fil et mobile Système Sans fil Mobile GSM x IS95 UMTS TCP/IP - IP-mobile ATM DECT (sans cordon)

Appel sur fixe Switch PSTN Décrocher Tonalité Numéro Indication d’appel Indication de sonneries Décrocher Arrêt de sonneries Conversation

Architecture cellulaire

Localisation

Paging

Appel sur mobile System information Indication d’appel Appelant BS Switch Appelé Requête de service Requête de paging Diffusion paging Réponse de paging Réponse Allouer ch.102 Allouer ch.12 Se régler sur 102 Se régler sur 12 Sonnerie Arrêter sonnerie Conversation

Méthode d’accès FDMA TDMA CDMA temps fréquence code temps fréquence

CDMA   Processing Gain : Bit rate: Chip rate: Tc Tb Tb Un chip Un bit Tb Tb Bit rate: Chip rate: Processing Gain :  Un chip Un bit

Mobilité et débit Mobilité Global UMTS satellite IEEE 802.20 4ème génération IEEE 802.16 GSM UMTS Cellulaire IEEE 802.11 DECT Intérieur IEEE 802.15 10kb/s 500k/s 2Mb/s 10Mb/s 150Mb/s 5

GSM-GPRS-EDGE

GSM CEPT : création du standard GSM (Groupe Spécial Mobile) Système analogique : 5 interfaces radios différentes But : roaming international, services indépendants du réseau utilisé un seul tél en Europe 1987 : une seule interface radio : Hybride Fréquence/Temps infrastructure basée sur le SS7 (Signaling System Number 7) 1990 : ETSI => memorandum of understanding concernant les services commerciaux et les arrangements entre opérateurs

GSM

GSM ... BTS Um BSC Abis Base Station System SIM MSC A

Trame DOWN UP f t 1 slot = 156,25 bits = 577 ms 0 1 2 7 f t 1 slot = 156,25 bits = 577 ms 1 trame = 1250 bits = 4,6 ms DOWN UP 200 kHz 45 MHz 1.73 ms

Chiffrement RAND 128 bits A3, A8 SRES 32 bits Kc 64 bits Frame Ki up to 128 bits A3, A8 SRES 32 bits Kc 64 bits Frame number 22 bits A5 Encryption mask 114 bits Data Ciphered data

GPRS General Packet Radio Service Objectifs mode paquet support pour un bursty trafic utilisation efficace des ressources radio accès temps rapide (0.5 à 1 sec) connectivité sur INTERNET coexistence avec GSM (parole)

Trafic WEB

GSN Deux nœuds : SGSN : Serving GPRS Support Node connection avec la station de base (relais de trame), semblable au MSC GGSN : Gateway GPRS Support Node connection avec les réseaux de type paquet « INTERNET » Encapsulation des paquets avec le protocole GPRS (tunneling) Sécurité : assurée par le SGSN, comme dans GSM

Architecture

Exemple de routage

Fonctionnement Terminal : A, B ou C TBF : Temporary Block Flow TFI : Temporary Flow Identity PDP : Packet Data Protocol Adresse IP 3 classes de service : haute, normale et basse

Interface radio

GSM et GPRS GSM = 1 slot = 9,6 ou 11 ou 14 Kbit/s GSM = n slot à 9,6, 11, ou 14 Kbit/s GPRS = X + Y Par exemple 4 + 1 pour un total de 5 3 + 2 pour un total de 4 4 + 4 pour un total de 5

EDGE Enhanced Data rate for GSM Evolution État de la liaison Adaptation du lien Modulation 8-PSK (3 fois plus que GSM)

8-PSK 011 010 001 A p i j 110 000 111 100 101 Méthode de GRAY

Par rapport à GSM Débit physique par slot : 69 Kb/s Canal de trafic : E-TCH MCS : Modulation and Codage Scheme

UMTS

Evolutions des technologies GSM E-GPRS IS-136 UWC-136 UTRA GSM-MAP IS-41 cdma2000 W-CDMA PDC IS-95 3G 2G

UMTS/IMT2000

Architecture UTRAN User Equipment Core Network Uu Iu

Architecture

UMTS RNC UMTS Réseau cœur Circuit GSM BSS Réseau à Commutation Iub UTRAN - UMTS Terrestrial Radio Access Network Iur UMTS RNC UMTS Réseau cœur Circuit GSM BTS GSM BSS HLR AUC MSC/ VLR GMSC Réseau à Commutation De circuit Internet IP SGSN GGSN Réseau à transfert de paquets This slide shows a simplified architecture picture of the UMTS standardization work. The core network is a GSM based evolution to UMTS. The new radio access UTRAN is a revolution compared to the GSM radio access. There are a number of open interfaces being standardized for UMTS: Iu: The interface between the Radio Network Controller and the Core Network Iub: The interface between the Base Station and the RNC Iur: The interface between different RNCs

ATM/AAL2 UMTS Réseau cœur Internet IP UMTS RNC Réseau à transfert UTRAN - UMTS Terrestrial Radio Access Network Internet IP BS UMTS RNC ATM/AAL2 SGSN GGSN BS Réseau à transfert de paquets

Internet Télécom UMTS RNC UTRAN - UMTS Terrestrial Radio Access Network Réseau Sans fil Internet Télécom BS UMTS RNC UMTS Réseau cœur BS Réseau Sans fil Réseau ad hoc Réseau Sans fil Hot Spot

Réseaux de mobiles 3è génération IMT 2000 (International Mobile Telecommunication for the year 2000) UMTS (Europe)---------- UMTS TDD W-CDMA (Japon)------- UMTS FDD Cdma 2000 (USA) EDGE (USA) UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) faible mobilité: 2 Mbit/s forte mobilité: 64 Kbit/s

UMTS Fréquences autour de 2GHz : bande de 230MHz Bandes appairées (120MHz) : 1920-1980 et 2110-2170 FDD/W- CDMA Bandes non appairées (50MHz) : TDD/TD-CDMA Satellites (MSS) : 60 MHz Débit prévisible à forte charge : faible de 30 à 50 Kbit/s

Réseaux sans fil

Bandes sans licence UHF SHF UHF SHF Ultra High Frequency Super High Frequency FM, TV GSM WLAN Etc … Satellite Radar WLAN WMAN 30 Hz 300 Hz 3 KHz 30 KHz 300 KHz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz UHF SHF 1 GHz 2 GHz 3 GHz 4 GHz 5 GHz 6 GHz ISM : Industrie, Science et Médecine UNII : Unlicensed National Information Infrastructure GSM : Global System for Mobile Communications

Radio Spectrum l 12cm 5cm 83.5 Mhz 200 Mhz 100 Mhz 2.4 Ghz 5.725 Ghz 802.11b Bluetooth Four à microondes 802.11a HiperLan II

Les catégories de réseaux étendus Réseaux personnel Réseaux locaux réseaux métropolitain 1 m 10 m 100 m 1 km 10 km 100 km WPAN Wireless Personal Area Network WLAN Wireless Local Area Network WMAN Wireless Metropolitan Area Network WWAN Wireless Wide Area Network

Standards pour les réseaux sans fils PAN IEEE 802.15 (WiMedia) IEEE 802.15.1 - Bluetooth IEEE 802.15.3 - UWB IEEE 802.15.4 - ZigBee WLAN IEEE 802.11 (Wi-Fi) IEEE 802.11b IEEE 802.11a IEEE 802.11g IEEE 802.11n HiperLAN WMAN IEEE 802.16 (WiMAX) IEEE 802.16a IEEE 802.16b IEEE 802.20 (MBWA)

PAN / WLAN / WMAN Complexité 802.11n 802.15.3 802.11a 802.11 802.11b 802.11g 802.15.1 802.15.4 Capacité

Réseau ad hoc Auto-organisation Spontané Pas de système d’administration Sur batterie Chaque noeud est un routeur

IEEE 802.15 WPAN: Wireless Personal Area Network Bluetooth

Qui est Bluetooth? Harald Blaatand « Bluetooth » II Roi du Danemark (940-981)

802.15x Les différents 802.15.x 802.15.1 ou Bluetooth 802.15.2 802.15.3 ou UWB 802.15.4 ou ZeegBee

Bluetooth Technologie pour remplacer les câbles Débit inférieur à 1 Mbit/s Une dizaine de mètres Faible puissance Coût très bas

Bluetooth Radio Link Saut de fréquence 2.402 GHz + k MHz, k=0, …, 78 . . . 1 2 3 79 83.5 Mhz Saut de fréquence 2.402 GHz + k MHz, k=0, …, 78 1,600 sauts par seconde 1 Mbit/s

Bluetooth Fréquences entre 2 400 et 2 483,5 Mhz 79 canaux d’une largeur de 1 Mhz. Ces fréquences ne sont pas disponibles dans tous les pays et en France, au Japon ou en Espagne seulement 23 fréquences sont accessibles. Piconet de 8 utilisateurs 1 maître et 7 esclaves (technique de polling)

Téléphone Bluetooth

Piconet PDA téléphone souris

Scatternet PDA souris Casque sans fil téléphone téléphone PDA

Bluetooth

IEEE 802.11 / Wi-Fi

Le standard IEEE 802.11 IEEE 802.11 - Standard d’origine (1990 – 1997) But : Développer une couche physique et une couche liaison permettant d’offrir une connectivité sans fil à toute station aussi bien fixe que mobile Débit : 1 et 2 Mbits/s dans la bande ISM (2,4 GHz) Couche 7 : Application Couche 5 : Application HTTP, mail, etc … Couche 6 : Présentation Couche 5 : Session Couche 4 : Transport Couche 4 : Transport TCP/IP Couche 3 : Réseau Couche 3 : Réseau Ethernet, Wi-Fi, Fibre optique, etc … Couche 2 : Liaison de données Couche 2 : Liaison de données Couche 1 : Physique Couche 1 : Physique Modèle ISO Modèle TCP/IP

Amendements à IEEE 802.11 Couche Physique Couche Liaison de données 802.11b (1999) - Vitesse jusqu’à 11 Mbit/s (bande ISM) 802.11b+ (2002) - Vitesse jusqu’à 22 Mbit/s (bande ISM) 802.11a (2001) - Vitesse jusqu’à 54 Mbit/s (bande UNII) 802.11a 2x mode - Vitesse jusqu’à 108 Mbit/s (bande UNII) 802.11g (2003) - Vitesse jusqu’à 54 Mbit/s (bande ISM) 802.11g 2x mode - Vitesse jusqu’à 108 Mbit/s (bande ISM) 802.11n (2005/2006) - Vitesse jusqu’à 108 Mbit/s voir 320 Mbit/s Couche Liaison de données 802.11e (2003) - Qualité de service 802.11i (2003) - Amélioration de la sécurité 802.11f (2003) – Gestion des handovers

Wi-Fi Alliance (1/3) Wi-Fi Alliance : Organisme qui regroupe les principaux acteurs du marché sans fils dans le monde Son but : promouvoir Wi-Fi comme standard international pour les réseaux sans fil garantir l’interopérabilité des produits Wi-Fi (Wireless Fidelity) garantir la sécurité dans Wi-Fi (WPA)

Wi-Fi Alliance (2/3) Wi-Fi : programme de certification Tests visant à labelliser tout type d’équipement basé sur le standard 802.11 Cartes Point d’accès Matériel de référence : Orinoco, Cisco, Intersil But : Permettre l’interopérabilité entre tous les équipements Wi-Fi

Wi-Fi Alliance (3/3) WPA (Wi-Fi Protected Access) Wi-Fi Zone Certification pour la sécurité Architecture de sécurité basé sur l’utilisation de 802.1x et TKIP Sera compatible avec IEEE 802.11i Wi-Fi Zone Certification pour les hot spots Déploiement Fiabilité Sécurité

Basic Service Set (BSS) Caractéristiques principales : Nom de réseau (SSID) Canal de transmission Mécanismes de sécurité Topologie BSS

Réseau d’infrastructure (ESS) Internet Système de distribution Caractéristiques principales : Nom de réseau (SSID) Canal de transmission Mécanismes de sécurité Topologie BSS BSS ESS

Réseau en mode ad hoc (IBSS) Caractéristiques principales : Nom de réseau (SSID) Canal de transmission Mécanismes de sécurité Topologie IBSS

Equipements : Cartes 802.11

Wi-Fi embarqué En 2004, plus de 80 % du marché des portables seront équipés de cartes Wi-Fi embarqués Depuis 2003, les PDA sont équipés de Wi-Fi embarqués

Equipements : Point d’accès

Equipements : Antenne

Architecture détaillée Gestion des handovers Configuration dynamique des points d’accès Wi-Fi et Wi-Fi5 AP controller Power System Ethernet Alimenté (PoE) Réseau Wi-Fi5 Réseau Wi-Fi

Topologies du réseau (1/2) ETHERNET BSS BSS BSS

Topologies du réseau (2/2) BSS BSS BSS

La réglementation française Aucune demande d’autorisation A l’intérieur des bâtiments Bande 2,400 – 2,4835 GHz, puissance 100 mW A l’extérieur des bâtiments Bande 2.400- 2,454 GHz, puissance 100 mW Bande 2,454 – 2,4835 GHz, puissance 10 mW Autorisation nécéssaire pour une utilisation complète de la bande des 2,4 GHz

802.11b et g 83,5 MHz Bande ISM Bande divisée en 14 canaux de 20 MHz La transmission ne se fait que sur un seul canal Superposition de 3 réseaux au sein d’un même espace Débits compris entre 1 et 11 Mbit/s Mécanisme de variation de débits selon la qualité de l’environnement radio Canal 1 Canal 7 Canal 13 2,4 GHz 83,5 MHz 2,4835 GHz

Affectation des canaux (1/2) Pays Etats-Unis Europe Japon France Nombres de sous canaux utilisés 1 à 11 1 à 13 14 10 à 13 Canal 10 Canal 11 Canal 12 Canal 13 37 MHz 2,4465 GHz 2,4835 GHz

Affectation des canaux (2/2) 13 1 13 1 7 13 13 13 1 13

Zone de couverture (1/3) Dépend de l’environnement Les murs Les meubles Les personnes Distance entre les équipements du réseau Interférences Autres réseaux Wi-Fi Bluetooth Les fours micro-ondes Autres équipements utilisant la bande ISM

A l’intérieur des bâtiments Zone de couverture (2/3) A l’intérieur des bâtiments A l’extérieur des bâtiments Vitesses (Mbits/s) Portée (Mètres) 11 50 5 75 2 100 1 150 Vitesses (Mbits/s) Portée (Mètres) 11 200 5 300 2 400 1 500

Zone de couverture (3/3)

802.11a Bande UN-II (5GHz) Largeur de la bande : 300 MHz Basé sur OFDM Débits compris entre 6 et 54 Mbits/s Certaines technologies permettent d’atteindre 108 Mbits/s 5,15 GHz 5,20 GHz 5,25 GHz 5,30 GHz 5,35 GHz 5,725 GHz 5,775 GHz 5,825 GHz Low Middle High 40 mW 200 mW 800 mW Intérieur Extérieur Domaines d’applications Puissance Bande U-NII Fréquences

Co-localisation de 8 réseaux au sein du même espace Les canaux de 802.11a Canal Fréquence (en GHz) 36 5,18 40 5,20 44 5,22 48 5,24 52 5,28 56 5,30 60 5,32 8 canaux de 20 MHz Co-localisation de 8 réseaux au sein du même espace 5,15 GHz 5,35 GHz 5,18 GHz 5,2 GHz 5,22 GHz 5,24 GHz 5,26 GHz 5,28 GHz 5,3 GHz 5,32 GHz 200 MHz 2,4835 GHz

Affectation des canaux 60 48 48 60 36 44 64 44 36 64 56 52 40 56 40 52

802.11a - Zone de couverture A l’intérieur des bâtiments Vitesses (Mbits/s) Portée (Mètres) 54 10 48 17 38 25 24 30 12 50 6 70

Amendements 802.11x 802.11b - Vitesse de 11 Mbits/s (bande ISM) 802.11a - Vitesse de 54 Mbits/s (bande UN-II) 802.11g - Vitesse de 20 Mbits/s (bande ISM) 802.11e - Qualité de service 802.11f – Handovers 802.11i - Amélioration de la sécurité

Sécurité dans Wi-Fi Accès au réseau Service Set ID (SSID) : équivalent au nom de réseau Access Control List (ACL) : basé sur les adresses MAC Wired Encryption Privacy (WEP) : Mécanisme de chiffrement basé sur le RC4 Nouvelle sécurité : TKIP (Temporal Key Integrity Protocol (formerly WEP2) ), 802.1x et carte à puce

IEEE 802.11e Qualité de service Téléphone IEEE 802.11 Algorithme d’accès CSMA-CA avec priorité

Internet enfoui Partout Tout le temps Accès gratuit? Ville Internet IEEE 802.11b IEEE 802.11a and IEEE 802.11e UMTS

Internet enfoui Hot spot

La mobilité IP

IP-Mobile : problématique

Tunneling

Protocole Internet LD f g Source Destination f : fonction de ré-adressage g : fonction inverse

IP Cellulaire

Architecture

Les réseaux ad-hoc

Inondation

Avec tables de routage

Les MPR

Calcul de la route c : uni-dir : bi-dir D B F A E Nœud A : B mpr D C bi-dir - Nœud C : A bi_dir - B mpr D E uni-dir - Nœud E : D mpr B,F B D A c E F Nœud B : A bi-dir - C bi-dir - D mpr E,F Nœud D : B mpr A,C E bi-dir - F bi-dir - Nœud F : D mpr B,E E uni-dir - : uni-dir : bi-dir

4è génération de mobiles Handover hétérogène IEEE 802.11 HiperLAN Bluetooth UMTS BLR GPRS GSM Satellite fixe

Le futur

Références Http://www.3gpp.org http://www.ietf.org Les réseaux de mobiles et les réseaux sans fil, K. Al Agha, G. Pujolle, G. Vivier, Eyrolles The GSM System for Mobile Communications, M. Mouly, M.B. Pautet, Cell & sys Wireless Personal Communications Systems, D. J. Goodman, Addison-Wesley Mobile Cellular Telecommunications, W. C. Y. Lee, McGraw-Hill Mobile IP, C. Perkins, Addison-Wesley WCDMA for UMTS: Radio Access for Third Generation Mobile Communication, Harri Holma, Antti Toskala, WILEY