Téléphonie : la troisième génération (3G)

30/03/2007 IUT DE CACHAN TELEPHONIE : LA TROISIEME GENERATION (3G) UMTS | Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran Téléphonie : la troisième génération (3G) Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran ‐ S o m ma i r e ‐ INTRODUCTION ................................................................................................................................................ 3 1. SERVICES DE LA TELEPHONIE MOBILE ..................................................................................................... 4 1.1. SERVICES PRESENTS AUX ANCIENNES GENERATIONS ................................................................................................. 4 1.2. TOUS LES SERVICES PROPOSES AVEC L’UMTS ......................................................................................................... 4 1.3. DESIGNATION DES SERVICES PROPOSES ................................................................................................................. 4 1.3.1. Catégorie conversationnelle ................................................................................................................ 4 1.3.2. Catégorie de flux continu ou streaming ............................................................................................... 5 1.3.3. Catégorie interactive ........................................................................................................................... 5 1.3.4. Catégorie d’arrière‐plan ...................................................................................................................... 5 1.4. COMPOSANTES DE L’UMTS ........................................................................................................................ 6 2. DOMAINE DE L’EQUIPEMENT DE L’USAGER .................................................................................................. 7 2.1. ME (MOBILE EQUIPEMENT) ............................................................................................................................... 7 2.2. USIM (UMTS INTEGRATED CIRCUIT CARD) .......................................................................................................... 7 2.3. PROTOCOLES D’INTERFACE RADIO : UU ................................................................................................................. 9 2.3.1. La couche physique ............................................................................................................................ 10 2.3.2. La couche MAC .................................................................................................................................. 10 2.3.3. La couche RLC .................................................................................................................................... 10 2.3.4. La couche PDCP.................................................................................................................................. 10 2.3.5. La couche BMC................................................................................................................................... 11 2.3.6. La couche RRC .................................................................................................................................... 11 3. DOMAINE DU RESEAU D’ACCES UTRAN ...................................................................................................... 12 3.1. ARCHITECTURE DE L’UTRAN ............................................................................................................................ 12 3.2. METHODE D’ACCES RADIO : UTRA/FDD UTRA/TDD .......................................................................................... 13 3.3. PROTOCOLES D’INTERFACE UTRAN RESEAU CŒUR : IU‐CS/IU‐PS ........................................................................... 14 4. DOMAINE DU RESEAU CŒUR ..................................................................................................................... 15 4.1. ARCHITECTURE DU RESEAU CŒUR UMTS ............................................................................................................ 15 4.2. DOMAINE A COMMUTATION DE CIRCUITS : DOMAINE CS ........................................................................................ 15 4.3. DOMAINE A COMMUTATION DE PAQUETS : DOMAINE PS ........................................................................................ 16 5. FONCTIONNEMENT DU CDMA .................................................................................................................... 18 5.1. TROIS NORMES : TDMA, FDMA ET CDMA. ....................................................................................................... 18 5.2. INTERCORRELATION DE CODE EN CDMA ............................................................................................................. 19 5.3. LE W – CDMA .............................................................................................................................................. 19 CONCLUSION .................................................................................................................................................. 20 BIBLIOGRAPHIE .............................................................................................................................................. 21 Page 2 Téléphonie : la troisième génération (3G) Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran Introduction Aujourd’hui, tout le monde parle de la téléphonie 3G, ou téléphonie de 3e génération. Néanmoins, avant d’arriver à la 3G, il y a eu de grandes évolutions de la téléphonie mobile. Tout a commencé avec la téléphonie 0G, ou ‘téléphone radio‐mobile’. Cette technologie était surtout présente dans les voitures avec des systèmes embarqués. L’exemple principal est le système ARP (Autoradiopuhelin), lancé en Finlande en 1971. Ce sont des téléphones analogiques assez conséquents, très gourmands en énergie et nécessitant une antenne de près de 1 mètre de long (d’où l’intégration dans les voitures) : ils n’auraient jamais pu être portatifs comme à l’heure actuelle. Puis, est apparue la téléphonie 1G. C’était en quelque sorte une évolution de la 0G puisque maintenant le « hand‐over » est possible grâce à une signalisation numérique (identification sur le réseau). Néanmoins, la transmission de la voix reste analogique et le système reste avant tout embarqué dans les voitures. Il faudra attendre 1991, date de lancement de Poctel, premier téléphone 1G (21 000 Fr à l’achat en 1991). En 1987, la norme GSM voit le jour, mais ce n’est que bien plus tard, à la fin du XX e siècle, que la technologie GSM va être exploitée. Son principal atout, qui aura fait le succès, c’est sa « numérisation ». En effet, la voix est convertie numériquement et compressée afin de créer un réseau « tout numérique ». L’aire de la téléphonie 2G ne fait que commencer. Ensuite, vinrent se greffer à cette technologie, des améliorations qui ont exploitées au maximum la 2G, tant au point de vue équipement, qu’au point de vue débits. Seul bémol : les droits de licence qui ont couté cher. Le premier exemple est le GPRS (General Packet Radio System), qui permet d'obtenir des débits théoriques de l'ordre de 114 kbit/s, plus proche de 40 kbit/s dans la réalité (2,5G). Le deuxième exemple est la norme EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution, présentée comme 2.75G, qui quadruple les améliorations du débit de la norme GPRS en annonçant un débit théorique de 384 Kbps, ouvrant ainsi la porte aux applications multimédias (en réalité la norme EDGE permet d'atteindre des débits maximum théoriques de 473 kbit/s, mais elle a été limitée afin de se conformer aux spécifications (IMT‐2000 et de l’ITU). Enfin, cela nous amène à introduire sur la technologie 3G, à savoir l’UMTS. Sa bande de fréquence attribuée est plus large que celle du GSM et même si la version actuelle est encore limitée à 384 Kbps en réception et à 64 kbps en émission dans des conditions optimales (en mouvement, le débit tombe à 144 kbps), le débit théorique maximal pourra atteindre 2 Mbps (en situation fixe). Nous allons développer le fonctionnement de cette nouvelle technologie et mettre en avant ses atouts. En première partie, nous verrons ce qu’elle apporte de nouveau pour l’usager. Puis, nous chercherons à connaître les changements des équipements. Tout cela nous conduira à parler de l’architecture réseau en troisième et quatrième partie. Enfin, en guise de syntaxe, nous illustrerons nos propos par un exemple réel de la 3G. Page 3 Téléphonie : la troisième génération (3G) Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran 1. Services de la téléphonie mobile 1.1. Services présents aux anciennes générations Le GSM offre différents services en fonction des quatre catégories de qualité de service (QoS) : 
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de données) ; 
Catégorie conversationnelle (voix) ; Catégorie de flux continu ou streaming (multimédia audio) ; Catégorie interactive (WEB/WAP, jeux vidéo en ligne – GPRS/EDGE, accès aux bases Catégorie d’arrière‐plan (email, SMS, téléchargement – GPRS/EDGE). 1.2. Tous les services proposés avec l’UMTS L’UMTS offre différents services en fonction des quatre catégories de qualité de service (QoS) : 
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Catégorie conversationnelle (voix, visiophonie) ; Catégorie de flux continu ou streaming (multimédia, vidéo à la demande, webcast) ; Catégorie interactive (WEB/WAP, jeux vidéo en ligne, accès aux bases de données) ; Catégorie d’arrière‐plan (email, SMS, téléchargement). 1.3. Désignation des services proposés Nous allons détailler l’ensemble de ces services pour les quatre catégories décrites ci‐dessus. NB : Les éléments en gras correspondent aux nouveautés de la technologie 3G. 1.3.1. Catégorie conversationnelle La voix : ce type de communication est le fondement de la téléphonie. Sans voix, il n’y aurait pas de téléphone. Inutile de décrire davantage son utilité. La visiophonie : ce type de communication permet de voir le correspondant à travers son combiné tout en discutant. La visiophonie nécessite néanmoins un débit assez important comparé au débit de la voix. Page 4 Téléphonie : la troisième génération (3G) Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran 1.3.2. Catégorie de flux continu ou streaming Multimédia : ce service permet d’accéder à des contenus de types audio, vidéo en streaming. Cela permet de regarder la TV, des films sans avoir à les télécharger sur le mobile puis à les regarder (Remarque : possible avec le EDGE aussi); le flux est mis en mémoire tampon et est lu directement. On notera d’ailleurs pour la 3G, une modification de la connexion au WAP/WEB sur un temps et non plus une quantité et un service de TV HD (écran QVGA). VoD (Vidéo à la Demande) : ce service permet à l’usager, à n’importe quel moment, de pouvoir regarder le film de son choix. Ce service existe sur les connections internet de type Home, et, grâce à l’augmentation des débits, sur le portable avec l’UMTS. Webcast : ce service n’est autre que l’envoi des services multimédia en streaming. Il est difficilement gérable de son mobile. Le flux provient de serveurs WEB. Ce service n’est autre que du monitoring. 1.3.3. Catégorie interactive WEB/WAP : ce service permet d’accéder à l’internet mobile et l’internet pc. Jeux vidéo en ligne : ce service permet de jouer contre ou avec d’autres adversaires en ligne. Ce service est similaire aux services développés pour les salles de jeux en réseaux et les jeux du type Warcraft ™. Accès aux bases de données : ce service permet d’accéder aux bases de données du monde entier depuis son mobile. 1.3.4. Catégorie d’arrière­plan Email : ce service permet d’envoyer et de recevoir ses emails depuis votre mobile. Il est nécessaire de disposer d’un compte messagerie internet pour pouvoir y avoir accès. SMS : pour Short Message Service, ce service permet d’envoyer des mini messages à n’importe quel numéro mobile, et, depuis quelque temps, à n’importe quel numéro fixe aussi. Téléchargement : ce service permet d’obtenir n’importe quel fichier depuis le WEB ou le WAP pour l’enregistrer sur votre mobile. Page 5 Téléphonie : la troisième génération (3G) Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran 1.4. Composantes de l’UMTS Les trois grandes composantes de l’architecture d’un réseau UMTS Equipement de l’usager UTRAN Réseau cœur Domaine du réseau d’accès Domaine de l’équipement usager Domaine du réseau cœur Domaine de l’infrastructure Ces schémas seront détaillés dans les parties ci‐suivantes. Page 6 Téléphonie : la troisième génération (3G) Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran 2. Domaine de l’équipement de l’usager USIM L’équipement usager est utilisé pour désigner la station mobile dans un réseau UMTS. Il représente le vecteur qui permet à l’abonné d’accéder au réseau et également à ses services. On distingue deux différentes parties au point de vue fonctionnel : l’équipement mobile (ME : Mobile Equipement) et le module d’identité universel de l’abonné (USIM : Universal Subsciber Identity Module). ME UE 2.1. ME (Mobile Equipement) L’équipement mobile est chargé de la transmission radio et des procédures associées. Il est encore divisé en deux parties : la terminaison mobile (MT : Mobile Termination) et l’équipement terminal (TE : Terminal Equipement). La terminaison mobile assure la transmission de l’information vers le réseau UMTS (ou autre) à travers l’interface radio et applique les fonctions de modulation, de correction d’erreurs, d’étalement de spectre et d’autre encore qui lui sont l’intermédiaire d’un adaptateur, est la partie de l’UE où les données d’information sont générées en émission ou traitées en réception. Le MT et le TE peuvent faire partie d’un équipement unique ou être séparés en deux équipements. Le TE peut être par exemple, un ordinateur portable et le MT un terminal mobile utilisé comme modem. 2.2. USIM (UMTS Integrated Circuit Card) L’USIM est une application qui permet à l’abonné d’accéder aux services souscrits. Elle gère également les informations associées à la souscription de l’abonné et les procédures d’authentification et de chiffrement. L’USIM réside dans une carte à puce (smart card) appelée UICC (UMTS Integrated Circuit Card). Comme la carte SIM (Sucriber Identity Module) utilisée en GSM, l’USIM conserve les informations liées à l’abonné et bien d’autres propres à un environnement où plusieurs opérateurs et plusieurs fournisseurs de services peuvent intervenir. L’USIM peut être utilisée sur un terminal UMTS Page 7 Téléphonie : la troisième génération (3G) Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran indépendamment du fabricant et en général de l’opérateur du réseau : la carte associe un abonné à un ou plusieurs fournisseurs de service et pas nécessairement à l’opérateur du réseau courant. Au niveau de l’infrastructure, c'est dans le réseau nominal que les informations concernant les services souscrits par l’abonné sont enregistrées. L’USIM est la clef d’accès à ces services. Lors d’une demande de service (un appel téléphonique par exemple), le réseau de service dans lequel l’abonné est itinérant doit dialoguer avec le réseau d’accès (radio ou câblés) nécessaire suivant les conditions et les caractéristiques des services souscrits. L’UICC peut contenir une application USIM et SIM, ce qui peut permettre son utilisateur aussi bien dans un réseau UMTS que GSM. D’ailleurs, les mécanismes permettant l’accès à un réseau GSM peuvent être directement imbriqués dans l’USIM. Enfin, plusieurs applications USIM peuvent résider dans une même UICC, chacune pouvant être associée à différents fournisseurs de service. Toutes ces possibles configurations pour l’UICC sont schématisées ci‐dessous. USIM 1 Cu USIM 2 Module d’accès 2G SIM/ME i/f SIM UICC Equipement mobile Les informations contenues dans l’USIM comprennent : 
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Des informations permettant l’identification de l’UICC : un numéro unique associé à la carte et à son utilisateur ; La langue ou les langues à utiliser ; Page 8 Téléphonie : la troisième génération (3G) Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran 
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Le répertoire des applications ; L’IMSI et le(s) MSISDN(s) ; Les clefs de chiffrage ; Les codes pour les appels d’urgence ; Les messages courts et les paramètres associés ; La liste des services et le nom de ses fournisseurs ; La liste des porteuses à utiliser pour la sélection d’une cellule. Comme en GSM, en UMTS, le numéro IMSI (International Mobile Subscriber Identity) permet au réseau d’identifier l’abonné de manière unique. Ce numéro n’est pas connu de l’utilisateur. Pour être appelé, l’abonné peut se voir attribuer un ou plusieurs numéros MSISDN (Mobile Station ISDN Number) ; chacun d’entre eux peut être associé aux services, éventuellement personnalisés, auxquels il a souscrit. Toujours pour préserver la compatibilité du système avec le GSM, le terminal UMTS doit communiquer l’IMEI (International Mobile Equipement Identity) au réseau. Ce paramètre identifie le terminal et peut, le cas échéant, empêcher son utilisation si le terminal s’avère être un terminal volé ou non homologué. 2.3. Protocoles d’interface radio : Uu Données paquet Signalisation réseau cœur Page 9 Voix Messages courts Téléphonie : la troisième génération (3G) Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran Le protocole mis en œuvre entre un terminal mobile et le réseau d’accès radio du système UMTS est le protocole d’interface radio UU. Cette interface est composée de plusieurs couches et de canaux : 2.3.1. La couche physique Elle assure les fonctions suivantes : 
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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. 2.3.2. La couche MAC Elle gère l’accès au médium de transmission à travers un ensemble de fonctions : 
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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. 2.3.3. La couche RLC Elle fournit le service de transfert des unités de données des couches supérieures (SDU RLC). 2.3.4. La couche PDCP Elle fournit le service de transfert des communications par paquets en s’appuyant des services offerts par la couche RLC. Page 10 Téléphonie : la troisième génération (3G) Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran 2.3.5. 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. 2.3.6. La couche 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 : 
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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. Page 11 Téléphonie : la troisième génération (3G) Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran 3. Domaine du réseau d’accès UTRAN 3.1. Architecture de l’UTRAN Comme le GSM, le réseau UMTS est composé d’un réseau cœur (CN : Core Network) et d’un réseau d’accès (AN : Access Network). L’interface entre le réseau de cœur de l’UMTS et le réseau d’accès, est appelé Iu. Cette interface a été définie d’une manière aussi polyvalente que possible, afin de pouvoir connecter n’importe quel type de réseau d’accès de technologies différentes (BRAN, SRAN, etc.), au réseau cœur de l’UMTS. Cette notion est très importante car elle signifie, que l’UTRAN, bien qu’étant le réseau d’accès de l’UMTS, n’est qu’une des alternatives d’accès à la voie radio. L’UMTS est donc un système polyvalent et très modulable. Si l’on regarde de plus près le fonctionnement interne du réseau d’accès UTRAN, on remarque qu’il est constitué de plusieurs éléments, ou modules, qui permettent, d’une part, à l’utilisateur de se connecter au réseau, et d’autre part d’acheminer les informations vers le cœur du réseau de l’UMTS. Page 12 Téléphonie : la troisième génération (3G) Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran Le RNC (Radio Network Controller) a une fonction équivalente au BSC des réseaux GSM, c’est à dire principalement le routage des communications entre le NodeB et le réseau cœur d’une part, et le contrôle et la supervision du NodeB d’autre part. Lorsqu’un mobile est en communication, une connexion RRC est établie entre le mobile et un RNC de l’UTRAN. Le RNC en charge de cette connexion est appelé S‐RNC (Serving ‐ Radio Network Controler). Lorsque l’usager se déplace dans le réseau, il peut être conduit à changer de cellule (zone active d’une antenne NodeB) en cours de communication et peut même se retrouver dans la cellule d’un NodeB ne dépendant plus de son S‐RNC. On appelle alors C‐RNC (Controlling ‐ RNC), le RNC en charge de ces cellules distantes. D’un point de vue RNC, le RNC distant est appelé Drift RNC. Dans ce cas de figure, les données échangées entre le Serving RNC et le mobile transitent par les interfaces Iur et Iub. Le Conrolling RNC joue donc le rôle d’un simple routeur vis‐à‐vis de ces données. Si chaque RNC a un rôle bien établi de Controling RNC vis‐à‐vis des équipements NodeB qui lui sont rattachés, il n’en va pas de même des rôles Serving et Drift. Ainsi, chaque RNC peut être à la fois Serving et Drift pour des mobiles différents, suivant la manière dont les connexions RRC sont établies. 3.2. Méthode d’accès radio : UTRA/FDD UTRA/TDD La norme UMTS propose deux techniques de multiplexage pour son interface radio : 
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Le TDD (Time Division Duplex, figure a.) ; Le FDD (Frequency Division Duplex, figure b.). Page 13 Téléphonie : la troisième génération (3G) Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran En TDD, une seule et unique fréquence est utilisée alternativement par les deux oies de communications. Cette technique est la plus flexible lorsque le spectre n’est disponible qu’en quantité limité. En revanche, en FDD, chaque sens de communication (Mobile vers Réseau et Réseau vers Mobile) utilise une fréquence particulière. Le mobile et le réseau peuvent donc transmettre simultanément. L’un des inconvénients de cette technique réside dans l’écart duplex, entre les deux voies de communication, utilisé pour séparer les étage de transmission et de réception radio. La nécessité de maintenir cet écart, également appelé “Bande de Garde”, entraîne une sous‐utilisation du spectre radio. En FDD, on attribue en général la même quantité de spectre aux deux voies de communication, ce qui est tout à fait adapté aux applications présentant un débit symétrique, comme la téléphonie. En revanche, lorsque les débits ne sont pas équilibrés (comme la navigation sur internet), cette technique n’est pas optimale. 3.3. Protocoles d’interface UTRAN réseau cœur : Iu‐CS/Iu‐PS Comme indiqué sur les schémas précédents, les protocoles d’interfaces Iu‐CS et Iu‐PS permettent la communication entre le réseau d’accès UTRAN et les domaines CS et PS du réseau Coeur de L’UMTS. Le rôle de ces deux domaines sera abordé dans la prochaine partie. Page 14 Téléphonie : la troisième génération (3G) Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran 4. Domaine du réseau cœur Le réseau Cœur (core network) est la partie du système chargée de la gestion des appels. Il permet aux abonnées de communiquer à l’intérieur d’un même réseau de téléphonie mobile et assure l’interconnexion de ce dernier avec des réseaux externes, fixes ou mobiles. Il fournit enfin les logiciels d’application qui permettent, tout en garantissant la sécurité des échanges, de maintenir la communication, même lorsque l’utilisateur est itinérant. Dans le réseau cœur, on distingue deux sous‐réseaux ou domaines : le domaine CS (Circuit‐
Switched) et le domaine PS (Packet Switched) qui ont pour fonction d’assurer la communication de circuits et la communication de paquets. 4.1. Architecture du réseau cœur UMTS Principales caractéristiques de la phase 1 (release 99) : 
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Débit de transmission de données d’au moins 64 kbps par utilisateur en mode circuit et 2 Mbps en mode paquet ; Support d’au moins tous les services spécifiés pour le GSM phase 2+ ; Possibilité de moduler la QoS des services supports au cours de la communication – plusieurs services support assortis d’attributs différents peuvent être traités simultanément ; Possibilité d’interconnexion avec un RTCP, un RNIS, un réseau X25 ou IP ; Possibilité pour un terminal bi‐mode GSM/UMTS d’être itinérant entre ces deux réseaux sans coupure de communication. 4.2. Domaine à commutation de circuits : domaine CS Le domaine CS assure la connexion à un réseau RNIS (bande étroite) et est mieux adapté pour la transmission de voix et pour les services de type à temps réel. Pour établir une communication – procédure d’appel d’un poste téléphonique d’un réseau externe, une connexion CS doit d’abord être faite. L’UE signale, pour ce faire, au MSC qu’elle nécessite une connexion CS à un numéro particulier. Le MSC consulte le profil de l’utilisateur dans le VLR pour déterminer si l’utilisateur a la permission d’appeler le numéro. Si l’appel est permis, le MSC vérifie s’il dispose de circuits disponibles et si l’UTRAN dispose de ressources pour supporter la communication. Si c’est le cas, il établit la connexion CS de l’UE, par l’interface air, passant par l’UTRAN jusqu’au MSC du CN. Le MSC commute alors l’appel au GMSC, qui se charge de la commutation dans le réseau externe CS. Le réseau externe CS effectue alors les fonctions de commutations nécessaires pour diriger l’appel à la destination. Page 15 Téléphonie : la troisième génération (3G) Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran Quand la communication est terminée, le MSC et le GMSC produisent un Call Detail Record (CDR). Le CDR contient les informations concernant l’identité des parties appelante et appelée, les ressources utilisées, etc. et est transmis au serveur de facturation. Pour la réception de communication – procédure d’appel de l’UE depuis un réseau externe, la procédure est différente. D’abord, l’appel est routé à travers le réseau externe vers le GMSC. Le GSMC détermine alors le HLR contenant le profil de l’utilisateur appelé sur base de son numéro de téléphone. Le HLR connaît la « location area » de l’UE (un ensemble de cellules dans lesquelles l’UE est susceptible de se trouver et d’être appelée), et est de ce fait capable d’envoyer une requête de numéro indiquant le MSC de destination au VLR responsable de cette location area. Le VLR renvoie le numéro du MSC, et le HLR transmet alors le numéro au GMSC. Le GMSC est maintenant capable de router l’appel jusqu’au MSC. A parti du VLR, le MSC connaît le RNC responsable de la location area de l’UE appelée et peut dès lors demander à ce RNC l’établissement d’un canal vers l’UE. Le RNC signale alors l’appel à l’UE dans la dernière location area connue et établit une connexion à l’UE à travers le NodeB quand l’UE répond à l’appel. Quand la liaison de transmission est établie, l’UE se met à sonner. Quand l’utilisateur décroche, la communication est commutée par la liaison établie. Quand la connexion de signalisation pour les services CS est fermée, lors de la clôture de communication ou lors d’un défaut de liaison radio, l’UE peut être ordonnée par le réseau de passer en mode inactif CS. Alternativement, l’UE peut passer en état détaché soit sur ordre du réseau soit par l’utilisateur. Si la connexion de signalisation des services CS est fermée, l’UE passe de l’état connecté CS à l’état inactif CS. Le réseau arrête le traçage de localisation de l’UE et l’UE écoute le canal de diffusion des cellules. Tant que l’UE reste dans la même location area, la situation demeure inchangée. Si l’UE se déplace dans une nouvelle location area, il informe le MSC de son changement de localisation. La mise à jour de localisation est stockée dans le HLR et copiée dans le VLR attachée au MSC. Si l’utilisateur désire effectuer un appel, l’UE passe en état de connexion CS et effectue la procédure d’établissement de communication. S’il y’a une communication entrante pour l’UE, le RNC le signale à l’UE. Quand l’UE répond, le RNC établit la connexion et l’UE se met à sonner. Quand l’utilisateur décroche, la communication est commutée. 4.3. Domaine à commutation de paquets : domaine PS Le domaine PS s’appuie sur l’architecture du réseau fédérateur GPRS. Il assure la connexion aux réseaux utilisant le protocole IP (Internet, Intranet) et aux réseaux X.25. Il est approprié à la transmission de données. Page 16 Téléphonie : la troisième génération (3G) Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran Pour établir une communication, une connexion PS doit être établie. L’UE active d’abord le contexte PDP (Packet Data Protocol) dans le GGSN. Un contexte PDP est un ensemble de paramètres définissant les réseaux de paquets qu’un utilisateur peut employer pour transmettre des données. La liste des contextes PDP permis pour l’utilisateur est stockée dans le HLR. Pour activer le contexte PDP, l’UE établit une connexion par le RNC jusqu’au SGSN et envoie un message de requête d’établissement de connexion à un réseau PS externe. Le SGSN transmet la requête au GGSN, qui interroge alors le HLR pour vérifier si l’utilisateur est autorisé à accéder aux réseaux PS externes. Si l’utilisateur est autorisé, le GGSN active le contexte et informe l’UE en incluant une adresse IP. L’activation du contexte crée un tunnel IP fixe vers lequel les paquets de données sortants sont envoyés au RNC et transmis ensuite au GGSN. Le GGSN commute alors l’appel dans le réseau PS externe, qui effectue les fonctions de commutation nécessaires pour diriger l’appel à destination. Le tunnel est actif jusqu’à ce que l’UE désactive le contexte soit en fermant l’application soit en se déconnectant du SGSN. Le SGSN est informé continuellement de la routing area actuelle de l’UE (la routing area est l’équivalent PS de la location area). Si l’UE change de routing area pour une area avec un nouveau SGSN responsable de cette area, la route dans le GGSN est adaptée à cette area. Grâce à la requête au HLR, le SGSN et le GGSN sont conscients de la qualité de service (QoS) demandée pour le transfert de paquet et sont capables d’établir un chemin de transfert de paquet conformément à la QoS désirée. Les catégories de QoS pour les connexions PS sont conversationnel (voix), streaming (streaming vidéo), interactif (navigation web) et background (transfert de fichier, e‐mails). Quand la communication est terminée, le SGSN génère un enregistrement de facturation sur base du contexte PDP et l’envoie au serveur de facturation. Pour recevoir un appel PS, un autre processus est requis. D’abord, l’appel entrant est routé à travers le réseau PS externe jusqu’au GGSN. Le GGSN détermine alors le HLR dans lequel le profil de l’utilisateur appelé est stocké sur base de son numéro de téléphone. Le GGSN interroge ensuite le HLR et détermine si l’UE est attachée au réseau et a activé un contexte PDP. Si l’UE n’est pas attaché au réseau, l’appel est rejeté. Si l’UE est attachée au réseau mais ne dispose pas d’un contexte PDP, l’UE doit être localisée et recevoir un signal d’activation de contexte PDP. Le HLR connaît la routing area de l’UE. Il connaît également le SGSN responsable de l’UE. Le GGSN obtient cette information et vérifie le profil de l’utilisateur dans le HLR concernant l’attachement au réseau de l’UE et le statut du contexte PDP. Le GGSN est à présent capable de router l’appel vers le SGSN. Le SGSN connaît le RNC responsable de la routing area et demande au RNC d’établir un canal vers l’UE. Le RNC appelle l’UE dans la dernière routing area connue et établit une connexion à l’UE à travers le NodeB utilisé par l’UE lors de sa réponse à l’appel. Une fois la liaison établie, l’UE reçoit l’appel PS et la communication débute. Page 17 Téléphonie : la troisième génération (3G) Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran 5. Fonctionnement du CDMA 5.1. Trois normes : TDMA, FDMA et CDMA. Afin de permettre aux différents usagers mobiles d’accéder au réseau, il est nécessaire de partager les ressources radio. Il existe trois principales techniques de partage des ressources, autrement appelées Accès Multiple : 
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Le partage en fréquence FDMA (Frequency Division Multiple Access, cf. figure a) ; Le partage en temps TDMA (Time Division Multiple Access, cf. figure b) ; Le partage en code CDMA (Code Division Multiple Access, cf figure c). L’accès CDMA se distingue des deux précédents par son approche radicalement différente du problème et sa complexité. En effet, alors que les accès FDMA et TDMA se font respectivement par répartition fréquentielle et temporelle entre les différents utilisateurs, l’accès CDMA attribue à chacun un codage particulier qui permet l’accès simultané sur les mêmes bandes de fréquences (cf. figures a, b et c). Page 18 Téléphonie : la troisième génération (3G) Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran 5.2. Intercorrélation de code en CDMA Dans un système CDMA les signaux issus des différents utilisateurs sont donc reçus simultanément par le récepteur. Il faut donc identifier et filtrer les différents codes reçus pour en dégager les signaux qui lui sont réellement destinés. A cet effet, les systèmes CDMA utilisent des codes possédant des propriétés de corrélation particulières. Chaque code est constitué de différentes séquences, d’éléments binaires, de longueur identique. Autrement dit, il s’agit de comparer ces différentes séquences de codes et d’en dégager une valeur qui représente leur degré de similitude. L’intercorrélation de deux séquences $ = ($0 , $1 , $2 , … , $# ) de longueur j, est définie par : de code ! = (!0 , !1 , !2 , … , !# ) et '!,$ (() = )
,−1
+ =0
(−1)!( +$(++ Puis le signal d’information est multiplié par la séquence de code. Cette opération à deux buts. Le premier est de coder les informations afin de les rendre transmissibles et compréhensibles par le récepteur, mais aussi dans un second lieu d’élargir le spectre en fréquence des signaux. Ainsi, ils sont transmis sur une bande plus large. 5.3. Le W – CDMA Cet élargissement de bande dépend du taux de transmission des séquences de codes. Ainsi, dans les anciennes normes GSM (2nd génération), le taux était de 1,22 MCPS ( 1 MCPS = 1 Méga Chip Per Second). Dans les nouvelles normes de l’UMTS, l’UTRAN utilise un taux de 3,84 MCPS. La bande de l’UMTS est donc bien plus large que celle de la norme GSM. C’est ainsi que l’on parle W‐CDMA (Wide Code Division Multiple Access). Page 19 Téléphonie : la troisième génération (3G) Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran Conclusion L'interface radio de la 3G a été conçue pour supporter une large gamme de services différents, services qui requièrent des débits supérieurs à ceux qui sont offerts par les systèmes mobiles de la deuxième génération (GSM). En ce qui concerne le débit de service, l'objectif a été de pouvoir offrir un débit d'information d'au moins 2 Mb/s, alors que les systèmes 2G ne permettent que de supporter des débits de l'ordre de 200 kb/s. Le handover (pas de coupure en cas de changement de cellule) est toujours fonctionnel. Une autre contrainte pour l'interface radio de la troisième génération a été de gérer la coexistence de celle‐ci avec les systèmes de la deuxième génération, coexistence qui se nomme transopérabilité. En effet, le déploiement en une fois du réseau de la troisième génération exposait les investisseurs à des frais considérables et compromettait la réussite financière de l'opération. L'idée a été donc de développer progressivement la couverture de la 3G, par îlots, en se concentrant d'abord sur les régions à forte densité d'utilisateurs, et de permettre à ces derniers de se servir du réseau 2G dès qu'ils quittent ces nouvelles zones de couverture. Enfin, il a parru essentiel de préserver les investissements considérables déjà réalisés sur les systèmes de la deuxième génération. Il a fallu concevoir des terminaux bi‐modes GSM/3G à faible coût, de garantir le transfert automatique intercellulaire entre le GSM et la 3G et de prévoir de la possibilité d'introduire à terme la 3G dans les bandes de fréquences actuellement utilisées par la 2G. Ainsi la nécessité de réaliser des terminaux bi‐modes à bas coût a imposé quelques contraintes sur le choix des paramètres, notamment la largeur des porteuses, qui doivent être multiples de 200 kHz, et sur les débits utilisés, qui doivent pouvoir être dérivés d'une horloge commune avec celle du GSM (13 ou 26 MHz). Malgré le fait que l’UMTS puisse atteindre des débits de 2Mb/s, de nouvelles normes sont en cours pour améliorer ce débit qui n’est que théorique (380kb/s en pratique en moyenne). Il existe à l’heure actuelle la 3,5G ou 3G+, le HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), qui peut atteindre des débits de l’ordre de 3,4 Mb/s jusqu’à 14 Mb/s au maximum en débit descendant et 320kb/s en débit montant. Nous allons voir apparaître également la 3,75G, le HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), qui permettra d’élever le débit montant à 5,8 Mb/s en théorie. Ils sont basés sur les équipements réseaux de la 3G. Néanmoins, d’ici 2010 à 2015, nous pourrons voir apparaître la 4G, ou sans doute basée sur une technologie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), qui pourrons atteindre des débits avoisinant le Gb/s. On ne sait toujours pas quelle sera la norme adoptée. Actuellement, les japonais et la société Siemens étudient le futur de la téléphonie mobile. Page 20 Téléphonie : la troisième génération (3G) Julien Chambille ‐ François Pontvianne ‐ Dominique Tran Bibliographie Livres UMTS : Les origines, l'architecture, la norme, Pierre LESCUYER, 2° édition chez Dunod Réseaux 3G : Principes, architectures et services de l'UMTS, de Pierre LESCUYER WCDMA (UMTS) Deployment Handbook, Christophe CHEVALLIER, Christopher BRUNNER, Andrea GARAVAGLIA, Kevin P. MURRAY, Kenneth R. BAKER Sites Web http://code.ulb.ac.be/files/Hic2005mastersthesis.pdf http://www.univ­savoie.fr/enseignement/sfa/dess­tr/download/umts_interface_radio.pdf http://www.univ­savoie.fr/enseignement/sfa/dess­tr/download/umts_architecture.pdf http://fr.wikipedia.org/wiki/Universal_Mobile_Telecommunications_System http://fr.wikipedia.org/wiki/Global_System_for_Mobile_Communications http://fr.wikipedia.org/wiki/T%C3%A9l%C3%A9phonie_mobile http://fr.wikipedia.org/wiki/Bibop http://www.humanite.presse.fr/journal/1993­04­27/1993­04­27­675815 Page 21