UMTS - Enseeiht

Architecture Protocolaire
de l’UMTS
(Universal Mobile Telecom System)
André-Luc BEYLOT
ENSEEIHT
Département Télécommunications et Réseaux
PLAN GENERAL
n
Introduction
n
Architecture Protocolaire et Interfaces
n
Réseau d ’accès radio : UTRAN
u
Universal (/UMTS) Terrestrial Radio Access Network
n
Réseau cœur : CN (Core Network)
n
Evolutions
2
UMTS
n
Constat :
u
u
u
u
n
GSM : téléphonie
GPRS : transfert de données à débit assez faible
difficulté d’intégrer de nouveaux services/multimédia/QoS
Atteindre des débits supérieurs : 64kb/s- 144 kb/s - 2 Mb/s
Caractéristiques essentielles :
u
Norme mondiale : IMT-2000 de l ’ITU-T, 3GPP
F
u
u
u
u
Européens + Japonais + Coréens + Chinois
Couche physique de l ’Interface Air profondément modifiée
Protocoles du réseau d’accès (UTRAN) redéfinis
Boîte à outils pour développer de nouveaux services
« Améliorations » des architectures protocolaires
3
QoS Historique et Motivation
n
n
GSM propose 2 services de transferts de données :
Transparent et non-transparent
Profils de QoS introduits dans le GPRS rel'97
u
n
classe de fiabilité, classe de délai, classe de débit moyen,
classe de débit crête
Amélioration des mécanismes de QoS : UMTS/GPRS
rel'99
u plusieurs contextes/@ PDP
n
Evolution rapide de l’Internet
u grande variété d’applications
u apparition de la QoS
n
Volonté des Opérateurs
u différentiation
u Introduction rapide de nouveaux services
4
UMTS Traffic Classes
3GPP TS 23.107
•Conversational – ex : speech, video telephony, VoIP
– Real time
– Preserve time relation (variation) between information entities of the stream.
– Conversational pattern (stringent and low delay)
• Streaming – ex : streaming audio and video
– Real time
– Preserve time relation (variation) between information entities of the stream
• Interactive – ex : web browsing
– Best effort
– Request response pattern
– Preserve payload content
• Background – ex : background download of emails, ftp, sms
– Best effort
– Destination is not expecting the data within a certain time
– Preserve payload content
Paramètres de QoS et Applis
GPRS
rel'97, '98
Precedence class
Delay class
GPRS/UMTS rel'99, 4, 5
Conversational Streaming
class
class
Allocation/retention
1, 2, 3
1, 2, 3
priority
Traffic handling
priority
Transfer delay
Residual BER
Reliability class
SDU error ratio
Interactive Background
class
class
1, 2, 3
1, 2, 3
1, 2, 3
<100 ms
<250 ms
5*10-2…10-6 5*10-2…10-6 4*10-3…6*10-84*10-3…6*10-8
10-2…10-5
10-1…10-5
10-3…10-6
10-3…10-6
Peak throughput
kbps < 2048 kbps
Maximum bitrate < 2048 kbps < 2048 kbps < 2048
-overhead
-overhead
class
Mean throughput
Guaranteed bitrate <2048 kbps <2048 kbps
class
Maximum SDU size<=1500 octets<=1500 octets<=1500 octets<=1500 octets
Delivery order
Yes/No
Yes/No
Yes/No
Yes/No
Yes/No/-
Yes/No/-
Yes/No/-
6
Yes/No/-
SDU format
information
Delivery of
erroneous SDUs
VISION IMT2000
IMT-2000
The ITU vision of global wireless access
in the 21st century
Global
Satellite
Suburban
Macrocell
Urban
Microcell
In-Building
Picocell
Basic Terminal
PDA Terminal
Audio/Visual Terminal
7
UMTS - Architecture Générale
3G-GGSN
PS Domain
3G-MSC
3G-SGSN
CS Domain
Inter-PLMN
Backbone
Network
RNC : Radio Network Controller
UE : User Equipment
RNC
Node B
RAN
UE
8
Acronymes
GSM-GPRS
UMTS
BSC : Base Station Controller
RNC : Radio Network Controller
MS : Mobile Station
UE : User Equipment
BTS : Base Transceiver Station
Node-B
MSC : Mobile-services Switching Center
U-MSC : UMTS - MSC
BSS : Base Station Subsystem
RNS : Radio Network Subsystem
GGSN : Gateway GPRS Support Node
3G-GGSN
SGSN : Serving GPRS Support Node
3G-SGSN
Interfaces :
BTS-BSC : Abis
BSC-MSC : A
BSC-BSC : non définie
Interfaces :
NodeB-RNC : Iub
RNC-CN : Iu
RNC-RNC : Iur
9
Modèle architecture de l’UMTS
User
Equipment
UTRAN
Uu
Iu
Core
Network
Strate applicative
Strate personnelle
Strate de service
Strate d’accès radio
USIM
Terminal
Cu
RAN
Uu
CN
Iu
Réseau
10
Extérieur
Caractéristiques couche physique
n
Méthode d ’accès CDMA : Code Division Multiple Access
u
W-CDMA en FDD : Frequency Division Duplex
F
u
TD-CDMA en TDD : Time Division Duplex
F
n
(sens montants et descendants séparés en fréquence)
(sens montants et descendants séparés dans le temps)
Canaux de transport <=> Canaux physiques
CANAUX PHYSIQUES
u
u
u
Canaux dédiés
Communs : visibles couches supérieures
Communs : uniquement couche physique
CANAUX DE TRANSPORT
u
u
Canal de transport dédié : DCH
Communs (cf. GSM)
11
Fonctionnalités couche physique
n
n
n
Ajout d’un CRC
Codage canal
plusieurs niveaux
u
u
u
n
n
d ’adaptation de débit
de segmentation
de concaténation
multiplexage des canaux de transport
entrelacement
12
Soft Handover/Macro-diversité
Drift RNC
Core Network (CN)
Iu
Iu
UTRAN Radio Network
Iub
Node B
Uu
Controler
(RNC)
Iub
Node B
Uu
Unit
Equipment
Serving RNC
Iur
Iub
Node B
Uu
Unit
Equipment
Iub
Node B
Uu
Radio Network
Controler
(RNC)
Iub
Iub
Node B
Node B
Uu
Uu
Unit
Equipment
Unit
Equipment
Possibilité de soft-handover (FDD) :
Lien entre RNC + interface associée
13
Couche 2 de l’UTRAN
n
Canaux logiques :
u
u
n
de trafic (point à point, multipoint DL)
de contrôle (diffusion, paging, sig dédiée, contrôle partagé)
MAC
u
u
u
u
mise en correspondance : canaux logiques <=> transports
gère les priorités (sous l ’ordre de RRC)
collecte mesures volume de trafic + conditions de propag.
Plusieurs entités MAC
F
F
F
u
MAC-b diffusion
MAC-c/sh : canaux partagés
MAC-d : canaux dédiés
MAC-b : situé dans le node-B ; les autres dans le RNC
14
Couche 2 de l’UTRAN
n
RLC : Radio Link Control
u
u
u
u
u
u
n
3 modes de fonctionnement
u
u
u
n
segmentation/réassemblage
concaténation/bourrage
détection des duplications
retransmission
remise en ordre
cryptage
transparent : segmentation/réassemblage
non acquitté : + numérotation + détection d ’erreur pas de
reprise
acquitté : + retransmission sélective (cf. GPRS)
Situé dans le RNC
15
Couche 2/3 de l’UTRAN
n
PDCP : Packet Data Convergence Protocol
u
u
u
u
n
cf. SNDCP du GPRS
Plan-U
indépendance couches sup. (pas dans la strate d’accès)
compression
RRC : Radio Resource Controller
u
u
pilote les autres couches, Plan-C
Demande de connexion du mobile
F
F
F
F
n
mise en place tuyau radio (Radio Access Bearer)
paramétré en fonction de la QoS (débit max, moyen, taux
d’erreur résiduel, taille des paquets …)
configuration des couches inférieures au vu des infos collectées
plusieurs niveaux d’activité du mobile
Situés dans le RNC
16
Architecture de l’UTRAN
Plan de Contrôle
Plan Utilisateur
Contrôle
RRC : Radio Resource Controller
PDCP Packet Data Convergence
RRC
Contrôle
Contrôle
Contrôle
Contrôle
PDCP
Protocol
BMC Broadcast Multicast Control
PDCP
Contrôle
RLC RLC
BMC
RLC
RLC
RLC
Canaux Logiques
MAC
Canaux de Transport
PHY
17
Interface Uu - Canaux logiques
PDCP
PDCP
RRC
RRC
RLC
RLC
RLC
RLC
MAC
MAC
MAC
MAC
PHY
UE
PHY
Node-B
Canaux Logiques de données
PHY
SRNC
UE
PHY
Node-B
SRNC
Canaux de contrôle
18
Modèle générique des interfaces
de l’UTRAN
Couche
Réseau
Radio
Plan de Contrôle
du réseau radio
Plan utilisateur
du réseau radio
Application
Flux de données
Couche
Plan Utilisateur
Réseau de réseau de transport
Transport
Tuyau de sig.
Plan de commande
réseau de transport
Plan Utilisateur
réseau de transport
ALCAP
Tuyau de sig.
Tuyau de
données
Couche Physique
ALCAP : Access Link Control Application Protocol
19
Interface Iu-b
Radio
Network
Layer
Transport
Layer
Radio Network
Control Plane
Transport Network
Control Plane
NodeB
Application Part
(NBAP)
User Plane
Iub - FPs
ALCAP
Q.2630.1
SSCF-UNI
SSCOP
AAL5
ATM
Q.2150.2
SSCF-UNI
SSCOP
AAL5
ATM
Physical Layer
AAL2
ATM
20
Interface Iu-r
Radio Network
Control Plane
Radio
Network
Layer
Transport Network
Control Plane
Radio Network
Subsystem Applic.
Part (RNSAP)
User Plane
Iur - FPs
ALCAP
Q.2630.1
Transport
Network
Layer
SCCP
MTP3-B
SSCF-NNI
SSCOP
AAL5
ATM
Q.2150.1
MTP3-B
SSCF-NNI
SSCOP
AAL5
ATM
Physical Layer
AAL2
ATM
21
Interface Iu-CS
Radio Network
Control Plane
Radio
Network
Layer
Transport Network
Control Plane
Radio Access
Network Applic.
Part (RANAP)
User Plane
Iu - UP Protocol
Layer
ALCAP
Q.2630.1
Transport
Network
Layer
SCCP
MTP3-B
SSCF-NNI
SSCOP
AAL5
ATM
Q.2150.1
MTP3-B
SSCF-NNI
SSCOP
AAL5
ATM
Physical Layer
AAL2
ATM
22
Interface Iu-PS
Radio Network
Control Plane
Radio
Network
Layer
Transport
Network
Layer
Radio Access
Network Applic.
Part (RANAP)
SCCP
MTP3-B
SSCF-NNI
SSCOP
AAL5
ATM
Transport Network
Control Plane
User Plane
Iu - UP Protocol
Layer
GTP-U
UDP
IP
AAL5
ATM
23
AAL2 dans l’UTRAN
UTRAN
Drift RNC
NodeB + UE
Serving RNC
data
MAC
RLC
Iub-FP
MAC
RLC
Iur-FP
Iub Frame
Protocols (Iub-FP)
AAL2
AAL2
AAL2
ATM
ATM
ATM
PHY
PHY
Iub
PHY
speech
MAC
GTP-U
Iub/Iur-FP
IuFP
AAL2
AAL2
AAL5
ATM
ATM
ATM
PHY
PHY
PHY
IP
Iur
Iub
Iu-CS
MSC
Core Network
Iu-PS
SGSN
24
Architecture Protocolaire de l’AAL2
AAL2 = CPS + SSCS (éventuellement vide)
SERVICE
SPECIFIC
CONVERGENCE
SUBLAYER
(SSCS)
ITU-T I.366.1
COMMON PART
SUBLAYER
ITU-T I.363.2
SERVICE SPECIFIC
ASSURED DATA TRANSFER
SERVICE SPECIFIC
TRANSMISSION ERROR DETECTION
SERVICE SPECIFIC
SEGMENTATION AND REASSEMBLY
COMMON PART SUBLAYER
SSADT
SSTED
SSSAR
CPS
Exemple de Multiplexage et de Segmentation
AAL2
CPS-Packet
CPS-Packet
CPS-Packet
CPS-Packet
CPS-Packet
CPS-Packet
CPS-PDU
CPS-PDU
CPS-PDU
Start Field
Cell
Header
ATM-SDU
PAD Field
ATM-PDU = Cell
CPS-PDU
CPS-PDU
Positionnement de l’AAL2
Transport Channel
Air Interface
Radio Link Control
(RLC) Layer
SAP
SAP
Frame Protocol
Frame Protocol
SAP
SAP
SAP
SAP
AAL2
Logical
Channels
Medium Access
Control (MAC)
Layer
Transport Channel
SAP
ATM
UTRAN
Transport
Channels
Transport Channel
Frame Protocols
Radio Physical
Layer
AAL2
27
Plan U (vision globale)
circuit :
Relay
RLC
RLC
MAC
MAC
WCDMA/
TD-CDMA
WCDMA/
TD-CDMA
MS
paquet :
Uu
AAL2
AAL2
ATM
ATM
L1
L1
Iu
RAN
Gateway
Node
RAN protocols (Access Stratum, AS)
Relay
L3CE
PDCP
GTP
GTP
GTP
UDP
UDP
UDP
UDP
IP
IP
IP
IP
L2
L2
L2
L2
L1
L1
L1
L1
PDCP
L3CE
GTP
RLC
RLC
MAC
MAC
WCDMA/
TD-CDMA
WCDMA/
TD-CDMA
MS
MSC
Uu
RAN
Iu
3G Serving Node
RAN protocols (Access Stratum, AS)
Gn
3G
Gateway
Node
28
3GPP R99/R4 QoS normalisée
Différents types de canaux
(dédiés/communs)
RNC
3G-SGSN
Node B
Iu
Domaine PS
Connexions
AAL2
Gn
DiffServ.
Inter-PLMN
Backbone
Network
3G-GGSN
Gn
Mécanimes
externes de QoS
Réseau de données
(Internet)
IP
Firewall
29
UMTS Release'99 and Release 4/5
MSC/VLR
BS
BS
BS
BS
Iub
RNC
(optional)
Iur
RNC
WCDMA Mobile WCDMA UTRAN
Iu
Circuit side
HLR
PSTN
GMSC
SCP
3G-SGSN
Internet
GGSN
Packet side (GPRS)
UMTS Release 1999
WCDMA/VoIP
Mobile
BS
BS
BS
BS
BS
BS
BS
BS
Iub
RNC
MSC/VLR
Iur
RNC
(optional)
Abis BSC
BSC
Iu
NEW !
HLR
IP transport
option for SS7
EDGE (GSM) BSS
EDGE/VoIP
Mobile
NEW !
NEW !Circuit Core
WCDMA UTRAN
3G-SGSN
GMSC
SCP
CSCF
CSCF
MGCF
MGCF
SGW
SGW
PSTN
MGW
MGW
GGSN
Packet Core (GPRS) with real time
services
UMTS Release 4/5
Multimedia Service
Control (IPTelephony)
Internet
30
Migration de la SIG vers
Internet - Interface Iu-r
Radio
Network
Layer
Transport
Network
Layer
Control Plane
User Plane
RNSAP
Iur Data
Stream(s)
Transport Network
User Plane
Transport Network
Control Plane
Transport Network
User Plane
ALCAP(Q.2630.1)
STC (Q.2150.1)
SCCP
MTP3-B
M3UA
MTP3-B
M3UA
SSCF-NNI
SSCF-NNI
SCTP
SSCF-NNI
SSCF-NNI
SCTP
SSCOP
IP
SSCOP
IP
AAL5
AAL5
AAL2
ATM
Physical Layer
31