Cours du Réseau Cellulaire : Evolution du GSM au LTE

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1 Cours du Réseau Cellulaire : Evolution du GSM au LTE
Faculté des Sciences et Techniques Fès Université Sidi Mohamed Ben Abdellah Département Génie Electrique Cours du Réseau Cellulaire : Evolution du GSM au LTE Réalisé par : Oussama Miquas Issame El Kaim Encadré par: F. MRABTI

2 Plan Introduction - GPRS - EDGE - UMTS - LTE - 4G
Illustrations et comparisons

3 GPRS

4 GPRS Qu’est-ce que le GPRS? Technologie Débit(s)
Architecture du réseau Applications Prix – facturation Avenir du GPRS (proche?)

5 Qu’est-ce que le GPRS? GPRS: General Packet Radio System
2° génération de la norme GSM (G2+) Navigation sur internet via un mobile Débit comparable à modem classique (théorie) Transmission des données en mode paquet Optimisation du réseau GSM (modifs mineures) Normalisé par l’ETSI

6 Technologie Fondamental: transmission des données en mode paquet
~ IP sur voie radio (routage, fragm / défragm) Changements importants pour l’utilisateur: Réseau utilisé seulement si transmission de données ( - d’interruptions et de saturation dans grandes villes, débit) Liaisons virtuelles (accès immédiat, facturation au volume) Le terminal a (meilleure gestion de la mobilité)

7 Technologie Autre nouveauté: optimisation des canaux
Idée: Répartition des paquets d’une communication sur les 8 slots d’un canal (+ le terminal dispose de slots, + il peut recevoir et envoyer des données) Débit théorique 8x supérieur Mais: + il a de slots, + il consomme d’énergie et cellules GSM saturées =>pas concevable qu’une seule personne dispose des 8 slots d’un canal Donc: les terminaux GPRS existants déjà sur le marché (Ericsson, Motorola, Nokia) disposent de 2 slots pour la voie descendante et d’un pour la voie montante Motorola va bientôt lancer un appareil avec 4 slots en voie descendante et 1 en montante, ce qui semble actuellement un maximum.

8 Technologie Codages différents selon les conditions Codage Principe
Débit prévisible par slot CS-1 Protection identique au GSM 9,05 kbits/s CS-2 Protection légèrement inférieure à la transmission de données circuit (GSM) 13,4 kbits/s CS-3 Protection réduite 15,6 kbits/s CS-4 Détection d’erreurs sans correction 21,4 kbits/s

9 Quel(s) débit(s)? Opérateurs (publicité, théorie): 171,2 kbits/s. conditions optimales , 8 slots pour un terminal, codage CS4 8 * 21,4 = 171,2 kbits/s Fabriquants de terminaux (Nokia par ex): 115 kbits/s. 4 slots, codage CS-3  8 * 15, 6 = 124,8 kbits/s – bits de protection = 115 kbits/s

10 Quel(s) débit(s)? En pratique: Tests avec 4 slots: Perturbations
encombrement du réseau nécessité d’un codage performant débit maximum pas disponible sur toute la couverture Tests avec 4 slots: Mauvaises conditions de propagation ou forte interférence 30 kbits/s Conditions moyennes 44 kbits/s Bonnes conditions 56 kbits/s

11 Architecture du réseau
Introduction de 2 nouveaux éléments à l’architecture GSM déjà existante : le SGSN et le GGSN.

12 Applications Le GPRS ouvre un nouveau champ d’applications:
Accès radio aux réseaux IP (internet et intranet) Recherches dans des bases de données (restaurants, stations service, bourse…) Télématique, télésurveillance (ascenceurs, distributeurs) Diffusion d’informations (publicité, guidage cartographique…) Messagerie électronique

13 Prix - facturation Pour la première fois, « le client ne paye pas pour le temps pendant lequel il a occupé la ligne, mais pour la quantité de données ayant réellement été acheminées par la ligne ». =>mode de paiement au koctet ou forfait mensuel fixe Terminaux GPRS : encore chers, mais les prix devraient baisser SAGEM MW 959 GPRS One Touch 701 d’Alcatel R520 d’Ericsson

14 Avenir du GPRS Réseau déjà en place en Finlande et Suède Réactions mitigées: « Si vous êtes impatients de pouvoir surfer rapidement et facilement sur internet via un téléphone mobile GPRS, vous devrez sans doute attendre encore un peu. » « Je ne suis pas sûr que c’était mieux que de surfer avec un GSM normal. » « Une évolution et certainement pas une révolution. » Nouvelles technologies (EDGE Enhanced Data rat for the Global Evolution, Bluetooth) En France: date de lancement sans cesse repoussée… => Normalement en septembre 2001

15 EDGE

16 EDGE Introduction Avec le GPRS, le système GSM permet un accès au monde de l’internet et ouvre la porte aux applications multimédias par l’utilisation de la commutation de paquets et l’augmentation du débit. Cependant, les débits restent limités à environ 50kbits/s (1bits/symbole).

17 INTRODUCTION Afin de dépasser ces limitations, une proposition a été faite par l’ETSI en 1997 pour l’utilisation d’une modulation à plus forte efficacité spectrale appelée 8- PSK (environ 3bits/symbole). Des études de faisabilité s’en sont suivi et ont conduit au concept d’EDGE (Enhanced Data rates for the Global Evolution).

18 On parle ainsi de 2.75G pour désigner le standard EDGE
EDGE utilise une modulation différente de la modulation utilisée par GSM, ce qui implique une modification des stations de base et des terminaux mobiles. Il permet ainsi de multiplier par un facteur 3 le débit des données avec une couverture plus réduite

19 Dans la théorie, EDGE permet d'atteindre des débits allant jusqu’à 384 kbit/s pour les stations fixes (piétons et véhicules lents) et jusqu’à 144 kbit/s pour les stations mobiles (véhicules rapides).

20 Caractéristiques de la norme EDGE
un mobile EDGE à l’instar d’un GSM émettra donc dans une bande qui s'étend de 880 à 915 MHz (Uplink). En réception, la bande sera 925 à 960 MHz (Downlink). il y aura 45 MHz de séparation entre le canal d’émission et le canal de réception (Duplex de séparation).

21 Ces bandes de fréquences sont divisées en portions de 200 kHz chacune, ce sont les canaux de transmission. Il y’en a donc au total 175 Chaque canal peut accueillir jusqu’à 8 communications simultanées.

22 Débits nécessaires La technologie EDGE peut théoriquement atteindre un débit maximum de 473,6kbit/s (8*59,2). En pratique, le débit (maximum) a été fixé au niveau du standard de la norme EDGE à 384kbit/s

23 Modulation La technologie d’EDGE utilise la modulation 8-PSK (Phase Shift Keying) appelée parfois MDP-8(Modulation de phase à 8 états). le nombre de symboles envoyés dans une certaine période de temps, reste le même comme pour GMSK, mais chaque symbole représente maintenant trois bits au lieu d'un.

24 La structure du burst La structure du burst de GSM est conservée quelque soit la modulation utilisée, GMSK ou 8-PSK. Un burst est formé d’une séquence centrale appelée séquence d’apprentissage (training sequence) constituée de 26 symboles entourée de 58 symboles de part et d’autre

25

26 Architecture L’EDGE est une extension du réseau GPRS. Seule le sous-système radio est sensiblement modifié.

27 Le déploiement de L’EDGE nécessite :
 La mise à jour du BSC et de la BTS.  L’ajout d’un émetteur-récepteur (EDGE Transceiver) au niveau de la BTS, capable de supporter la modulation 8-PSK.

28 CONCLUSION Grace à la modulation 8-PSK, la norme EDGE permet d’augmenter les débits disponibles dans GPRS. l'introduction d’EDGE dans le réseau GSM/GPRS permettra aux opérateurs d'améliorer les services et capacités à la demande des utilisateurs.

29 UMTS

30 Introduction L'expression "Universal Mobile Telecommunications System" (UMTS) désigne une norme cellulaire numérique de troisième génération en cours d'élaboration. Atteignant 2 Mb/s dans certaines conditions, les vitesses de transmissions offertes par les réseaux UMTS seront nettement plus élevées, que celles des réseaux GSM, de seconde génération, qui plafonneront vers 150 kbits/s avec GPRS. Alors que l'introduction de la norme GSM a nécessité une mutation complète des réseaux mobiles, le passage de GSM à UMTS sera marqué par une évolution progressive facilitée par l'existence de terminaux mobiles bi-modes GSM/UMTS.

31 Marché (horizon 2010) Les taux de pénétration en téléphone mobile pourraient dépasser à terme le seuil des 100%, comme l’illustre la poursuite de la croissance dans les pays les plus avancés, 70% du trafic voix pourrait s’effectuer via les réseaux mobiles, Les revenus liés au transfert des données représenteraient plus de 60% des revenus des opérateurs mobiles.

32 Calendrier Parlement européen : État français : Equipementiers :
Fixer les conditions de délivrance des autorisations d'exploitation au plus tard le 1er janvier 2000 Prendre toutes mesures pour que les services UMTS puissent être ouverts au plus tard le 1er janvier 2002. État français : 6 juin 2000 : Discours de clarification de L. FABIUS Nombre de licences, Procédure, Prix Premières offres en été 2002 Equipementiers : Qualcomm : fin 2004, début 2005 Alcatel : fin 2003, début 2004

33 Aspects techniques Fondement : Aspects radio : Compatibilité GSM :
Principe d’envoi par paquet Faire circuler n’importe quel contenu digital sur un même canal Aspects radio : Nouvelles bandes de fréquences : MHz et MHz ( 900 et 1800 MHz) --> Déploiement de nouveaux réseaux Compatibilité GSM : Deux cœurs de réseaux envisageables dans un premier temps : Mode circuit pour le temps réel, Mode paquet pour les autres services

34 Concept du Multimédia Mobile
Services de la 3G Concept du Multimédia Mobile Mobilité Ubiquité Terminal personnel Sécurité Qualité de Service Localisation Multimédia Parole Photo Musique Vidéo (à la demande, temps réel)

35 Classification des services
Services de la 3G Classification des services Utilisables sans interaction (exemple le GPS) Utilisables en conduisant (exemple la radio) Utilisables en marchant (exemple réception de photos) Utilisables debout arrêté (exemple jeu vidéo) Utilisables assis (ou terminal pose; exemple prise de notes sur un clavier)

36 Services de la 3G Le téléphone mobile Le visiophone de poche
Le communicateur personnel (agenda, PDA) Messagerie et fax rapide Accès à l’Intranet Accès à Internet Le marché des jeux ordinateurs Application commerciales Le pay-per-view Services divers

37 Usages : réalité-fiction ?
Deux amies, une robe, une grand-mère Une grand-mère en voyage, une fuite d’eau Un homme d’affaires perdu à Hong-Kong Un roller man, un pote, des jeux Attente à l’aéroport, intranet Un professeur, un cours, des élèves, un malade La réalité augmentée, en vol Seul dans la nuit

38 Remarques sur les usages
L’intelligence est dans le réseau, et les données sur des serveurs. Elles sont ‘streamées’ à la demande Le terminal est un dispositif d’échanges, de diffusion, d ’acquisition Tous ces services supposent une identification personnelle au départ, qui permet d ’appeler ses données individuelles (identité, droits, préférences, moyens de paiement…) Le réseau détient un nombre croissant d’informations sur l’utilisateur : techniques, liées à l’abonnement, sécuritaires, comportementales… Trop de transparence ?

39 Matériels Différents prototypes sont actuellement en cours de finalisation chez les constructeurs, on remarque déjà quelques points communs : Présence d ’une oreillette détachable (lien sans fil type BlueTooth) pour permettre d ’entendre parler tout en regardant l’écran de l’appareil La plupart possède une caméra orientable L’interface avec les applications est vocale

40 UMTS Frequency Spectrum
UMTS Band MHz and MHz for 3G transmission  In the US, 1710–1755 MHz and 2110–2155 MHz will be used instead, as the 1900 MHz band was already used.

41 UMTS Architecture

42 UMTS Network Architecture
UMTS network architecture consists of three domains Core Network (CN): Provide switching, routing and transit for user traffic UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN): Provides the air interface access method for user equipment. User Equipment (UE): Terminals work as air interface counterpart for base stations. The various identities are: IMSI, TMSI, P-TMSI, TLLI, MSISDN, IMEI, IMEISV

43 Matériels - Motorola

44 Matériels - Ericson

45 Matériels - Nokia

46 Matériels - Siemens

47 Conclusion L ’UMTS permet :
un accès plus rapide à Internet depuis les téléphones portables, par un accroissement significatif des débits des réseaux de téléphonie mobile une amélioration de la qualité des communications en tendant vers une qualité d’audition proche de celle de la téléphonie fixe de concevoir une norme compatible à l’échelle mondiale, contrairement aux technologies actuelles (les normes utilisées aux États-Unis et au Japon ne sont pas toutes compatibles avec le GSM) de répondre au problème croissant de saturation des réseaux GSM, notamment en grandes villes

48 LTE

49 LTE (Long Term Evolution)
Le LTE (Long Term Evolution) est une évolution des normes de téléphonie mobile GSM/EDGE, CDMA2000, TD-SCDMA et UMTS. La norme LTE, définie par le consortium 3GPP1, a d'abord été considérée comme une norme de troisième génération « 3.9G » (car proche de la 4G), spécifiée dans le cadre des technologies IMT-2000, car dans les « versions 8 et 9 » de la norme, elle ne satisfaisait pas toutes les spécifications techniques imposées pour les normes 4G par l'Union internationale des télécommunications (UIT). La norme LTE n'est pas figée, le consortium 3GPP la fait évoluer en permanence (en général une nouvelle version tous les 12 à 18 mois).

50 Architecture du réseau LTE
Les réseaux LTE sont des réseaux cellulaires constitués de milliers de cellules radio qui utilisent les mêmes fréquences hertziennes, y compris dans les cellules radio mitoyennes, grâce aux codages radio OFDMA et SC-FDMA. Ceci permet d’affecter à chaque cellule une largeur spectrale plus importante qu'en 3G, variant de 3 à 20 MHz et donc d'avoir une bande passante plus importante et plus de débit dans chaque cellule. Le réseau est constitué de deux parties : une partie radio (eUTRAN) et un cœur de réseau « EPC » (Evolved Packet Core).

51 La partie radio eUTRAN La partie radio du réseau, appelée « eUTRAN » est simplifiée, comparée à celle des réseaux 2G (GERAN) et 3G (UTRAN), par l’intégration dans les stations de base « eNode B » des fonctions de contrôle qui étaient auparavant implémentées dans les RNC (Radio Network Controller) des réseaux 3G UMTS. La partie radio d’un réseau LTE (voir dessin) se compose donc des eNode B, d’antennes locales ou distantes, de liaisons en fibres optiques vers les antennes distantes (liens CPRI) et des liaisons IP reliant les eNode B entre eux (liens X2) et avec le cœur de réseau (liens S1) via un réseau de backhaul.

52 Le cœur de réseau EPC Le cœur de réseau appelé « EPC » (Evolved Packet Core) utilise des technologies « full IP », c'est-à-dire basées sur les protocoles Internet pour la signalisation, le transport de la voix et des données. Ce cœur de réseau permet l’interconnexion via des routeurs avec les eNodeB distants, les réseaux des autres opérateurs mobiles, les réseaux de téléphonie fixe et le réseau Internet. L’utilisation du protocole IP de bout-en bout dans le cœur de réseau permet des temps de latence réduits pour l’accès internet et les appels vocaux LTE.

53 Principales différences entre les normes LTE et 3G UMTS
Les normes LTE, définies par le consortium 3GPP sont dérivées des normes UMTS, mais apportent de nombreuses modifications et améliorations, notamment : un débit descendant théorique allant jusqu'à 326,4 Mbit/s crête (300 Mbit/s utiles) en mode MIMO 4×4 ; un débit montant théorique allant jusqu'à 86,4 Mbit/s crête (75 Mbit/s utiles) ; cinq classes de terminaux LTE ont été définies, elles supportent des débits allant de 10 Mbit/s (catégorie 1), jusqu’au débit maximal descendant prévu par la norme LTE (300 Mbit/s pour la catégorie 5). Tous les terminaux LTE doivent être compatibles avec les largeurs de bandes de fréquence allant de 1,4 à 20 MHz ;

54 Principales différences entre les normes LTE et 3G UMTS
un débit de données trois à quatre fois plus important que celui de l'UMTS/HSPA ; une efficacité spectrale (nombre de bits transmis par seconde par hertz) trois fois plus élevée que la version de l'UMTS appelée HSPA ; un temps de latence RTT (Round Trip Time) proche de 10 ms (contre 70 à 200 ms en HSPA et UMTS) ; l’utilisation du codage OFDMA pour la liaison descendante et du SC-FDMA pour la liaison montante (au lieu du W-CDMA en UMTS) ; des performances et des débits radios améliorés par l’utilisation de la technologie multi-antennes MIMO du côté équipement terrestre (eNodeB) et du côté terminal (en réception uniquement) ;

55 Principales différences entre les normes LTE et 3G UMTS
l'utilisation de codes correcteur d'erreur de type « Turbo codes » associés aux algorithmes de retransmission HARQ ; la possibilité d'utiliser une bande de fréquence allouée à un opérateur variant de 1,4 MHz à 20 MHz, permet une plus grande souplesse (par rapport à la largeur spectrale fixe de 5 MHz de l'UMTS / W-CDMA) ; une large gamme de bandes de fréquences hertziennes supportées, y compris celles historiquement attribuées au GSM et à l’UMTS et de nouvelles bandes spectrales notamment autour de 800 MHz et de 2,6 GHz : 39 bandes sont normalisées par le 3GPP (dont 27 en LTE FDD et 11 en TDD). La possibilité d'utiliser des sous-bandes de fréquences non-contiguës ;

56 Principales différences entre les normes LTE et 3G UMTS
la contrepartie du grand nombre de bandes de fréquences prévues par la norme est la quasi impossibilité pour un terminal de prendre en charge simultanément toutes les fréquences normalisées ; il y a donc des risques importants d'incompatibilité entre terminaux mobiles et réseaux nationaux ; la prise en charge de plus de 200 terminaux actifs simultanément dans chaque cellule ; un bon support des terminaux en mouvement rapide. De bonnes performances ont été enregistrées jusqu'à 350 km/h, voire jusqu'à 500 km/h, en fonction des bandes de fréquence utilisées.

57 Contrairement aux normes 3G HSPA et HSPA+, qui utilisent la même couverture radio que l’UMTS, le LTE nécessite des fréquences radio et des antennes qui lui sont propres mais qui peuvent être colocalisées avec celles d’un réseau 2G ou 3G.

58 LTE-Advanced

59 LTE-Advanced LTE-Advanced est une norme de réseau de téléphonie mobile de 4e génération définie par l’organisme de normalisation 3GPP qui fait partie (avec le Gigabit WiMAX) des technologies réseaux retenues par l'Union internationale des télécommunications (UIT) comme norme 4G IMT-Advanced ; il représente la « vraie » 4G. LTE signifie Long Term Evolution.

60 LTE-Advanced Le LTE Advanced, dont la normalisation de la première version (normes 3GPP Ts36.xxx rel 10) s’est achevée fin 2011 au sein de l'ETSI et du 3GPP (normes 3GPP release 10 - version 10), est une évolution de la norme LTE qui lui permet d’atteindre le statut de « véritable norme 4G », tout en gardant une compatibilité ascendante complète avec le LTE, au niveau des terminaux (smartphones, tablettes, clés 4G) et au niveau du réseau, grâce aux fréquences identiques et aux codages radio (OFDMA et SC-FDMA) qui sont ceux déjà utilisés dans les réseaux LTE (accès radio EUTRAN).

61 LTE-Advanced Le LTE-Advanced sera capable de fournir des débits pics descendants (téléchargement) supérieurs à 1 Gb/s à l’arrêt et à plus de 100 Mb/s pour un terminal en mouvement, grâce aux technologies réseaux intelligentes qui permettent de maintenir des débits plus élevés en tout point de la cellule radio, alors qu’ils baissent fortement en bordure des cellules UMTS et LTE.

62 Évolutions par rapport au LTE
des débits plus élevés sur les liens descendants et optionnellement les liens montants, grâce à l’agrégation de porteuses (en anglais : « Carrier Aggregation ») qui permet d’utiliser un spectre hertzien (continu ou pas) pouvant atteindre 100 MHz de largeur (à comparer à 20 MHz maximum en LTE); des performances radios accrues au niveau d'une cellule pour pouvoir servir plus de terminaux mobiles, grâce, entre autres, aux évolutions de la technologie MIMO (Mimo 8x8) ; la possibilité de déployer des relais radio annexes à coûts plus faibles qui viennent étendre la couverture des cellules principales ; de meilleures performances dans les zones mitoyennes de 2 cellules grâce aux techniques de micro-synchronisation entre cellules appelée « CoMP » (Coordinated Multi-Point) et SON (Self Organizing Network) et grâce au beamforming actif permis par les antennes MIMO.

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64 Illustrations et comparaisons

65 3G Overview 3G is created by ITU-T and is called IMT-2000

66 Evolution from 2G IS-95 GSM- EDGE GPRS HSCSD IS-95B Cdma2000-1xRTT
IS-136 & PDC GSM- EDGE GPRS HSCSD IS-95B Cdma2000-1xRTT Cdma2000-1xEV,DV,DO Cdma2000-3xRTT W-CDMA TD-SCDMA 2G 3G 2.5G 3GPP 3GPP2

67 A number of mobile services are bearer independent in nature
Service Roadmap Improved performance, decreasing cost of delivery Broadband in wide area 3G-specific services take advantage of higher bandwidth and/or real-time QoS Video sharing Video telephony Real-time IP multimedia and games Multicasting A number of mobile services are bearer independent in nature Multitasking WEB browsing Corporate data access Streaming audio/video MMS picture / video xHTML browsing Application downloading Presence/location Voice & SMS HSDPA 1-10 Mbps WCDMA 2 EGPRS 473 kbps GPRS 171 GSM 9.6 Push-to-talk Typical average bit rates (peak rates higher) CDMA 2000-EVDO CDMA 2000-EVDV CDMA x

68 GSM Evolution to 3G HSCSD GPRS WCDMA EDGE
High Speed Circuit Switched Data Dedicate up to 4 timeslots for data connection ~ 50 kbps Good for real-time applications c.w. GPRS Inefficient -> ties up resources, even when nothing sent Not as popular as GPRS (many skipping HSCSD) EDGE Enhanced Data Rates for Global Evolution Uses 8PSK modulation 3x improvement in data rate on short distances Can fall back to GMSK for greater distances Combine with GPRS (EGPRS) ~ 384 kbps Can also be combined with HSCSD GSM 9.6kbps (one timeslot) GSM Data Also called CSD General Packet Radio Services Data rates up to ~ 115 kbps Max: 8 timeslots used as any one time Packet switched; resources not tied up all the time Contention based. Efficient, but variable delays GSM / GPRS core network re-used by WCDMA (3G) GPRS WCDMA

69 UTRAN Wide band CDMA technology is selected for UTRAN air interface
WCDMA TD-SCDMA Base stations are referred to as Node-B and control equipment for Node-B is called as Radio Network Controller (RNC). Functions of Node-B are Air Interface Tx/Rx Modulation/Demodulation Functions of RNC are: Radio Resource Control Channel Allocation Power Control Settings Handover Control Ciphering Segmentation and reassembly

70 3.5G (HSPA) High Speed Packet Access (HSPA) is an amalgamation of two mobile telephony protocols, High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) and High Speed Uplink Packet Access (HSUPA), that extends and improves the performance of existing WCDMA protocols 3.5G introduces many new features that will enhance the UMTS technology in future. 1xEV-DV already supports most of the features that will be provided in 3.5G. These include: - Adaptive Modulation and Coding - Fast Scheduling - Backward compatibility with 3G - Enhanced Air Interface

71 4G (LTE) LTE stands for Long Term Evolution
Next Generation mobile broadband technology Promises data transfer rates of 100 Mbps Based on UMTS 3G technology Optimized for All-IP traffic

72 Advantages of LTE

73 Comparison of LTE Speed

74 Major LTE Radio Technogies
Uses Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) for downlink Uses Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC- FDMA) for uplink Uses Multi-input Multi-output(MIMO) for enhanced throughput Reduced power consumption Higher RF power amplifier efficiency (less battery power used by handsets)

75 LTE Architecture

76 LTE vs UMTS Functional changes compared to the current UMTS architecture