Chapitre 4 UMTS.

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1 Chapitre 4 UMTS

2 Pourquoi UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)
Des contextes différents dans le monde : – Le GSM s’impose en Europe – Coexistence d’un grand nombre de système aux US – Le PDC norme prépondérante au Japon • Vers la troisième génération : – Saturation des systèmes 2G – Incompatibilité des systèmes 2G – Demande d’applications multimédias mobiles • Définition des systèmes 3G : IMT-2000 – Support des applications multimédias – Support de débits élevés (jusqu’à 2Mbits/s) – Itinérance étendue (vers une norme commune ?)

3 Pourquoi UMTS On n’arrête pas le progrès:
Besoin de large bande en data (de N x 10 kb/s à N x 100 kb/s) Convergence Internet - Mobiles Le multimédias numérique mobile Un besoin d’étendre le plan de fréquences pour face à la saturation des zones denses du GSM

4 Architecture générale UMTS
Réseau d’accès radio achemine l’information du terminal au réseau coeur • Réseau coeur achemine les communications vers les réseaux fixe, internet, etc, gère l’itinérance internationale et effectue la tarification.

5 Le UMTS architecture général et équipements
A : Interface entre un MSC et une BSS Abis : Interface entre une BTS et une BSC Gb : Interface entre un SGSN et une BSS IuCS : Interface à commutation de circuit entre un RNC et un réseau cœur IuPS : Interface à commutation de paquet entre un RNC et un réseau cœur Iur : Interface logique entre deux RNCs Iubis : Interface entre un RNC et un noeud B Um : Interface Radio entre une station mobile et la partie fixe d’un réseau GSM. Uu : Interface Radio entre l’UTRAN et un équipement de l’utilisateur. AuC: Centre d’Authentification BTS: Base Transceiver Station BSC: Base Station Controller BSS: Base Station Subsystem EIR: Equipment Identity Register GGSN: Gateway GPRS Support Node HLR: Home Location Register MSC: Mobile Switching Center SGSN: Serving GPRS Support Node VLR: Visited Location Register RNC: Radio Network Controller UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network Le UMTS architecture général et équipements

6 Terminal L'utilisateur UMTS est équipé d'un UE (User Equipment) qui est composé du Mobile Equipment (ME) correspondant au combiné téléphonique (terminal mobile) et la carte USIM (UMTS Subscriber Identity Module). Le rôle de l'USIM est semblable à celui de la carte SIM en GSM. Elle enregistre les identités de l'abonné telles que IMSI, TMSI, P-TMSI, les données de souscription, la clé de sécurité (Ki) et les algorithmes d'authentification et de génération de clé de chiffrement. L'UE peut se rattacher simultanément aux domaines circuit (MSC) et paquet (SGSN) et peut alors disposer simultanément d ’un service GPRS et d ’une communication téléphonique, comme un terminal GPRS Classe A.

7 Le réseau d’accès UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network)

8 principes de l’UTRAN Deux modes principaux:
FDD (Frequency Division Duplex, ou « full duplex »): pour Macro et Micro cellules. Version déployée en phase 1. TDD (Time Division Duplex, ou « half duplex »): pour Micro et Pico cellules Une gestion unifiée de l’accès radio, l’UTRAN par CDMA: tous les canaux utilisent le même spectre et les trames sont codées/décodées par mécanisme de convolution (ou auto corrélation) Débit trame ou « Chip Rate » de 3,84 Mcps (~3,84 M Bauds) Trames de durée de 10 ms (soit bits par trame) et divisée en 15 slots (soit 2560 bits par slot)

9 Canaux physiques FDMA P T P CDMA T P F T F TDMA F

10 L’accès en UMTS • Modes d’accès : – Multiplexage FDD et TDD
– Accès multiple à répartition par codes (CDMA )

11 Le CDMA • Emission : – Etalement du spectre du signal
– Multiplication par un code pseudo-aléatoire – Débit chip : 3,84Mc/s – Débit chip fixe pour tout type de signal – Codes orthogonaux pour un même canal

12 Transmission du signal CDMA
Etalement C1 C2 Desetalement Emission Réception Canal I CI Bruit du canal m(t) p(t) p(t)m(t)

13 Codes orthogonaux de longueur variable (OVSF)
Sf=1 sf= sf= sf=8

14 Les trames UMTS (FDD) Montant descendant TPC: Transmit Power Control
Durée d’un trame = 10ms et contient 15 slots Durée d’un slot = 0.66ms = 10*256 chips. Trame = 15*2560 chips = chips. Super trame de 72 trames. A la réception le desétalement se fait par slot. Montant descendant TPC: Transmit Power Control TFCI: Transmit Format Combination Indicator. FBI: Feed Back Information

15 Le trame UMTS (TDD) Contrairement au W-CDMA, les voies montantes et descendantes sont réparties sur les 15 slots de la trame de 10 ms de manière symétrique ou non. Quelle que soit la configuration retenue, il est nécessaire de garder pour chaque voie au minimum un slot parmi les 15 de la trame. Les slots dédiés à chaque voie peuvent être consécutifs (on parle alors de configuration single-switching-point) ou non (on parle alors de configuration multiple-switching-point) :

16 Canaux logiques Le transfert des donnes de la couche Mac est effectues sur les canaux logiques, il existe deux type de canaux logique : canaux de trafic et canaux de contrôles. Les canaux logiques de contrôles sont utilisés pour le transport d'information au niveau de plan de contrôle et ceux de trafic sont utilisés pour acheminer les information du plan user. Broadcast control Channel (BCCH) utilisé dans le sens descendant pour la diffusion des informations du réseau au niveau de toutes les cellules. Paging control Channel (PCCH) utilisés dans le sens downlink pour acheminer les information du paging Common control Channel (CCCH) utilisés dans le sens montant et descendant pour transporter l'information de contrôle entre le réseau et UE Dedicated control Channel (DCCH) utilisés dans le sens montant et descendant pour transporter les informations de signalisation entre UTRAN et le Mobile. ce canal est utilisé durant l'établissement de connexion avec le RRC Les canaux logiques de trafic : Dedicated Trafic Channel (DTCH) utilisés dans le sens descendant et montant, pour la transmission des informations entre l'utran et utilisateur Common Trafic Channel (CTCH) utilisés pour la transmission des messages pour les utilisateurs

17 Le réseau d’accès radio (node B)
• Permet l’échange d’information entre le mobile et le réseau coeur • Contrôle et gère les ressources radio • Contrôle certaines fonctions liées à la mobilité via le RNC Le Node B est un ensemble de stations de base (BS) et de contrôleurs de site qui sont chargés en outre de gérer la macrodiversité. Chaque station de base gère une cellule. Plusieurs cellules peuvent donc dépendre d’un même Node B, mais chaque cellule ne supporte qu’un seul mode de duplexage : FDD ou TDD.

18 Le RNC Deux rôles de RNC ont été introduits afin de gérer les handovers inter-RNC : le Serving RNC et le Drift RNC (un RNC joue l’un ou l’autre des deux rôles pour une communication). Chaque communication met en oeuvre un Serving RNC et un seul, et passe par 0 ou plusieurs Drift RNC: - Le Serving RNC gère les connexions radios avec le mobile et sert de point de rattachement au Core Network via l’interface Iu. Il contrôle et exécute le handover. - Le Drift RNC, sur ordre du Serving RNC, gère les ressources radios des stations de base qui dépendent de lui. Il effectue la recombinaison des liens lorsque du fait de la macrodiversité plusieurs liens radios sont établis avec des stations de base qui lui sont attachées. Il “route” les données utilisateurs vers le Serving RNC dans le sens montant et vers ses stations de base dans le sens descendant.

19 L’interface radio Interface radio (Uu) comporte 3 couches :
– Couche physique – Couche de liaison de données – Couche réseau

20 Le réseau de cœur UMTS • Domaine CS
– MSC (Mobile-services Switching Center) Communication entre mobiles – GMSC (Gateway MSC) Passerelle entre UMTS et RTC – VLR (Visitor Location Register) Localisation géographique des abonnées • Domaine PS – SGSN (Serving GPRS Support Node) Localisation au niveau réseau (Routage) – GGSN (Gateway GPRS Support Node) Passarelle entre UMTS et Internet

21 Architecture de QoS en UMTS
4 classes de service: Conversational class: (Voix sur circuit ou sur IP….) Streaming class  (vidéo on demand, multimédia....) Interactive class  (web, client-serveur…) Background class ( , SMS, DB…)   

22 QoS en UMTS

23 Architecture d’accès en UMTS
RRC PDCP BMC RLC MAC Physique Plan de controle Plan utilisateur Service support signalisation utilisateur Canaux logiques Canaux physiques contrôle RRC: Radio Ressource Control PDCP: Packet Data Convergence Protocol. BMC: Broadcast Multicast Control Protocol. RLC: Radio Link Control MAC: Medium Access Control.

24 Physique Elle assure les fonctions suivantes :
Le codage/ décodage canal pour la protection contre les erreurs sur les canaux de transport; Le multiplexage de plusieurs canaux de transport en un bloc composite ; L’adaptation de débit qui consiste à rajouter ou à retirer des bits de projection pour ajuste la taille des données à la capacité du canal physique ; La modulation et l’étalement de spectre ; La synchronisation en fréquence et en temps.

25 MAC Elle gère l’accès au médium de transmission à travers un ensemble de fonctions : L’association des canaux logiques avec les canaux de transport ; La communication sur ordre de RRC du type de canal de transport associé à un canal logique ; Le contrôle de volume de trafic sur chaque canal de transport actif à l’aide des informations fournies par la couche RLC ; La gestion des priorités entre les différents flux de données d’utilisateurs ; Le multiplexage en émission des données de plusieurs canaux logiques sur un canal de transport et démultiplexage en réception de plusieurs canaux logiques supportés par un seul canal de transport ; L’identification des mobiles lorsqu’ils utilisent les canaux de transport commun.

26 Protocoles La couche RLC
Elle fournit le service de transfert des unités de données des couches supérieures (SDU RLC). La couche PDCP Elle fournit le service de transfert des communications par paquets en s’appuyant des services offerts par la couche RLC. La couche BMC Elle assure du côté de l’UTRAN le service de diffusion de messages utilisateur sur l’interface radio pour le compte d’un centre de diffusion CBC externe à l’UTRAN et relié au RNC. Du côté du mobile, elle assure la livraison des messages diffusés à l’utilisateur de la couche.

27 RRC Elle est la « tour de contrôle » de l’interface radio, elle gère la signalisation entre l’UTRAN et les mobiles. Cette couche assure les fonctions suivantes : La gestion de la connexion RRC ; La gestion des états de service de RRC ; La diffusion des informations système ; La gestion de paging ; La sélection de cellule ; La gestion de la mobilité dans l’UTRAN ; Le contrôle des mesures ; La configuration du chiffrement et de l’intégrité.

28 Encapsulation des paquets arrivant du réseau cœur

29 Le handover • Handover : passage d’une cellule à l’autre
• Cellule : une fréquence et un secteur • Noeud B : supporte une ou plusieurs cellules • Hard-handover utilisé dans le GSM • Soft-handover : – Pas de rupture de la liaison radio – Voie descendante : réception de signaux de 2 noeuds B – Voie montante : émission vers 2 noeuds B et le RNC choisi la meilleure liaison. En général, le RNC décide le handover en basant sur des mesures de puissance.

30 Types de handover Handover Intra-Cellulaire (intra-cell handover) : Il s'agit du cas où le mobile ne change pas de cellule, mais change de fréquence/code. Handover inter-cellulaire, intra-Node B : La session radio est transférée d'une cellule à une autre, les deux étant sous la responsabilité du même Node B. Dans le cas, d'un Node B fonctionnant en dual mode, le handover intra Node B inclut le changement de mode (TDD↔FDD). Ce type de handover peut être un soft ou hard handover. Handover inter-Node B, intra-RNC : Ce type concerne un changement de Node B. Ce type de handover peut être soft ou hard. Handover inter-Node B, inter-RNC avec interface Iur : Il s'agit d'un changement de cellules sous le contrôle de différents RNC. Ce scénario nécessite deux procédures, celle de handover et celle de "SRNS Relocation". Ce type de handover peut être soft ou hard. Handover inter-Node B, inter-RNC sans interface Iur : Il ne peut être réalisé qu'à travers un hard handover. Handover Inter-CN : Il s'agit d'un changement de cellules appartenant à des réseaux de base différents (e.g., inter-PLMN handover). Il ne peut être réalisé qu'à travers un hard handover. Handover Intra-CN (UTRAN-GSM/GPRS) : Il s'agit d'un handover entre l'UTRAN et une BSS GSM/GPRS. Il ne peut être mis en oeuvre que par un hard handover. Comme, il n'existe pas d'interface entre l'UTRAN et la BSS, ce type de handover est donc pris en charge par le réseau de base comme un handover inter-BSC dans le réseau GSM.

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32 3G-GPRS L ’entité PCRF (Policy and Charging Rules Function) permet à la fonction PCEF (Policy and Charging Enforcement Function) généralement incluse dans le GGSN d ’apprendre les règles PCC (Policy and Charging Control) afin d ’identifier les flux circulant sur le contexte PDP, de bloquer ou d ’autoriser les flux, d ’affecter une QoS par flux, et de taxer chaque flux individuellement. L'entité PCEF dispose d'une interface de taxation avec l'OCS (l'Online Charging System) pour la taxation online des flux de services IP consommés par l'usager et une interface avec OFCS (Offline Charging System) pour la taxation offline des flux de services IP de l'usager. .

33 Contexte PDP en UMTS Il existe deux types de contexte PDP :
Contexte PDP primaire qui ne peut être établi que par l ’usager. Contexte PDP secondaire qui peut être établi par l ’usager ou par le réseau. Même adresse IP que le contexte PDP primaire auquel il est associé, mais pas forcément la même QoS. Par exemple un utilisateur accede a ses services IMS par SIP (contexte PDP 1= QoS1) et cree une session VoIP par RTP (contexte PDP QoS2)

34 Etablissement de contexte PDP primaire

35 Les Tunnels en UMTS Si l'UE émet un paquet IP (IP1), ce dernier est transporté sur un tunnel PDCP de l'UE au RNC. Le RNC décapsule le paquet IP (IP1) du paquet PDCP et l'inclut dans un paquet GTPU. GTP-U est un protocole de niveau application s'appuyant sur UDP/IP. Le paquet IP (IP2) encapsulant le paquet GTP-U/UDP a pour adresse IP source celle du RNC et pour adresse de destination celle du 3G-SGSN. Le paquet IP (IP2) est encapsulé dans une trame GE (Gigabit Ethernet) et délivré au 3G SGSN, destinataire du paquet IP (IP2). Le 3G-SGSN décapsule le paquet GTP-U et l'inclut dans un autre paquet GTP-U sur UDP/IP. Au niveau IP, le paquet IP(IP3) a pour adresse source celle du 3G-SGSN et pour adresse de destination celle du GGSN. Le paquet IP est transmis sur une couche liaison de données et physique (L2/L1) qui est généralement GE. Le GGSN décapsule le contenu du paquet IP (IP3) puisqu'il en est le destinataire, puis le contenu du segment UDP puis le contenu du paquet GTP-U, à savoir le paquet IP (IP1) et route ce paquet IP vers sa destination comme l'aurait réalisé tout routeur IP.

36 Etablissement de contexte PDP secondaire par le réseau

37 Réactivation du RAB pour la réception de paquets IP