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Module D227Technologies récentes des réseaux
Couches basses WWAN (GSM, GPRS, UMTS)
Présentation et générations des WWAN Le système GSM Le système GPRS
L'UMTS Exercices
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DUSSUEL Philippe (IUP Miage, Bordeaux)
Couches basses WWAN (GSM, GPRS, UMTS)
Présentation et générations des WWAN
Définition Cas particuliers
Générations des WWAN
Auteur(s) : Philippe Dussuel - Miage Bordeaux Date de dernière modification : 12 Janvier 2006
Définition
Définition
Les Wireless Wide Area Network sont les systèmes de téléphonie mobile. Leur évolution a permis d‛ajouter des fonctions de transfert de données aux fonctionnalités classiques de transport de la voix.
Conséquence :
Un WWAN est nécessairement opéré par un opérateur mobile. Une entreprise ou a fortiori un particulier ne peut pas mettre en œuvre une couverture étendue telle qu‛un WWAN. On peut donc parler d‛une « boucle locale » reliant le terminal mobile de l‛abonné au point de présence de l‛opérateur : le point de présence est une station hertzienne, et la « boucle locale » est donc radio.
Appellation « réseaux cellulaires » : Comme les antennes des stations couvrent une zone qu‛on appelle cellule, les réseaux mobiles ont logiquement aussi été appelés réseaux cellulaires. La notion de cellule rappelle que l‛opérateur, pour couvrir sa zone, doit déployer ses cellules sans laisser de trou (du moins pas involontairement… les zones de couverture étant sélectionnées selon leur potentiel commercial en priorité).
Exemples de réseaux mobiles : Il y a en France métropolitaine actuellement 3 opérateurs de réseaux mobiles, à savoir France Télécom Orange, SFR et Bouygues Télécom. Le déploiement d‛un réseau mobile d‛envergure coûte tellement cher que la quatrième licence d‛opérateur mobile UMTS n‛a pas trouvé preneur… Et les trois opérateurs nationaux actuels contrôlent bien le marché…
Bouygues Telecom a annoncé qu‛il déployait la technologie EDGE (2,75G) avec des services i-mode, mais sauterait l‛UMTS (3G) pour aller directement au HSDPA (3,5G) en 2007. Orange a finalement annoncé et mis en oeuvre un déploiement EDGE en « complément » de l‛UMTS. Et SFR a revu sa stratégie fin 2005 et se destine visiblement à déployer aussi EDGE. Tout cela ne facilite pas la compréhension des réseaux et services par les clients (entreprises et particuliers), heureusement ces termes sont expliqués dans ce cours.
Quelques cas particuliers
Les MVNO : Puisque les observateurs ont noté « depuis 2000-2001 un certain essoufflement de la concurrence sur le marché de détail de la téléphonie mobile » (cf. www.arcep.fr, le site de l‛ARCEP, le régulateur national), le développement d‛opérateurs sans infrastructure a été encouragé, à l‛instar d‛expériences étrangères. Ce sont donc des « Mobile Virtual Network Operators », qui achètent en gros leurs ressources en télécommunications et les revendent au détail, c‛est à dire client par client, en assurant le SAV et la facturation (le nerf de la guerre, bien entendu). Pour l‛instant leur part de marché nationale est peu significative. Il y a donc eu identification d‛un marché de gros, comme dans les télécommunications fixes où une multitude d‛intervenants achètent et vendent des briques de bases, qui une fois intégrées permettent de vendre des services au client final. Les hérissons : Il s‛agit cette fois d‛appareils mis en œuvre dans les entreprises, pour économiser sur le poste de coût « communications fixes vers mobiles ». Comme les opérateurs mobiles ont réussi à imposer des tarifs élevés (c‛est à dire nettement plus élevés que leurs coûts) pour les communications entrantes sur leur réseau mobile (sauf entre eux !), il est apparu un créneau économique de contournement : faire des appels mobiles vers mobiles plutôt que fixes vers mobiles. Il était d‛ailleurs aussi apparu un créneau économique pour faire, dans certaines conditions, un détour par l‛international, et appeler les mobiles depuis l‛international plutôt que depuis un fixe en France ! Ceci prouvait que les tarifs n‛étaient pas orientés vers les coûts et que les niveaux de marge étaient très forts sur le fixe vers mobile. Donc un hérisson est un mini-commutateur qui dispose en entrée d‛un certain nombre de voies téléphoniques fixes, et en sortie d‛un nombre similaire de lignes mobiles GSM, et qui convertit ainsi au départ de l‛entreprise (sur le PABX) les communications vers les mobiles. L‛ARCEP s‛est saisie non sans mal de la distorsion tarifaire du fixe vers mobile, et a imposé une baisse pluri-annuelle des tarifs correspondants. Le retour sur investissement d‛un hérisson n‛est donc plus aussi assuré qu‛auparavant.
Générations des WWAN
L‛intérêt des réseaux mobiles est bien sûr très grand en terme de services rendus, et leur développement va continuer dans les années à venir, plutôt pour la richesse des services que pour l‛augmentation du nombre d‛abonnés qui est déjà importante au moins pour les particuliers. Jetons un oeil sur le passé pour mieux comprendre cette évolution.
● La première génération (1G) de téléphonie mobile a apporté le transport de la voix analogique.
● La deuxième génération (2G) a remplacé le transport de la voix analogique par des technologies numériques.
● La troisième génération (3G) apporte les données numériques (e-mail, Internet, extranet…).
Des considérations politico-socio-économiques ont fortement contribué aux différences de développement des réseaux mobiles selon les pays. Citons par exemple :
Le succès de la normalisation européenne 2G avec le GSM, qui a été un gage d‛interopérabilité, alors qu‛aux USA il y a 3 systèmes 2G
Le frein aux usages aux Etats-Unis représenté par la facturation de l‛appelé mobile, règle inconnue chez nous (sauf pour le roaming à l‛international)
La frénésie de certaines tranches de la population japonaise pour tout ce qui touche au high tech et à la mobilité, même si les débits sont faibles.
Les premiers systèmes 1G ont été développés aux Etats-Unis, et notamment la norme AMPS des Bell Labs y fut imposée par la FCC (le régulateur) au début des années 1980. Bien que dépassé aujourd‛hui, ce système introduit les concepts de bases : les cellules, les terminaux portables à faible puissance d‛émission (environ 0,6 Watt, alors qu‛un émetteur radio branché sur une voiture peut atteindre 3 Watts), les points hauts pour installer l‛antenne de chaque cellule, l‛interconnexion avec le réseau téléphonique fixe, et la découpe en micro-cellules. En effet, on ne peut pas utiliser les mêmes bandes de fréquence sur 2 cellules adjacentes compte tenu des interférences avec les signaux résiduels d‛une cellule sur l‛autre, donc il y a une attribution de ces bandes à faire en fonction du pavage des cellules ; si l‛on se trouve en zone dense (typiquement urbaine) où les communications sont plus nombreuses, on a intérêt à diminuer la taille des cellules (donc la puissance de l‛antenne) et avoir des petites cellules et une meilleure réutilisation des bandes de fréquences. Face à une concentration importante d‛abonnés, les opérateurs mettent même en place des micro-cellules, par exemple sur les stades.
On représente souvent les cellules sous forme hexagonales, parce que cela leur confère des propriétés simples de réutilisation des bandes (cf. exercice).
Mais en réalité cette représentation est bien sûr simplificatrice. Si les conditions de propagation/réception étaient isotropes, les cellules seraient des cercles centrés sur leur antenne, qu‛on appelle station de base (ou BTS, base transceiver station).
On voit donc naturellement que les cellules se recouvrent, d‛où le jeu subtil de réutilisation des bandes de fréquences, qui constituent la ressource rare. Il apparaît donc sur ce schéma que les ondes ne s‛arrêtent pas aux frontières théoriques des cellules, et qu'on représente par une cellule la zone où la réception est suffisamment bonne selon des critères complexes. La réutilisation des bandes de fréquence est bien permise entre deux cellules non adjacentes, mais doit supporter les signaux résiduels, même si faibles, qui peuvent se propager au delà : comme ils sont dans la même bande de fréquence, il s‛agit de bruit, et cela augmente le rapport signal sur bruit, donc diminue le débit selon la formule de Shannon rappelée en Introduction.
Le fonctionnement est donc le suivant et il est identique pour toutes les générations de systèmes :
A un instant donné, le terminal mobile est dans une cellule, dont la station de base assure le contrôle de la liaison
En hertzien il est difficile (pour des raisons électroniques et physiques) d‛écouter et d‛émettre en même temps : les terminaux (en WWAN comme en WLAN) utilisent donc des processus et composants distincts pour l'émission et la réception, et les bandes de fréquences sont aussi distinctes
Lorsque le terminal quitte la cellule (c‛est à dire sa zone de bonne réception), la station de base gère un changement de ce contrôle, en passant le relais à la cellule qui couvre le nouvel emplacement du terminal : en cas de recouvrement de cellules, c‛est la station de base qui capte le mieux le signal qui détermine sa cellule comme celle prenant en charge le terminal
La gestion du changement de cellule est appelé « handover » ; avec la 1G il n‛y a alors pas possibilité de garder une communication en cours
Dans le cœur du réseau mobile, les MSC (mobile switching center) sont des commutateurs téléphoniques qui gèrent l‛interconnexion avec le réseau fixe, mais qui savent aussi à chaque
instant dans quelle cellule est chaque terminal : ils sont ainsi capables d‛acheminer un appel vers le terminal ; les MSC sont aussi maillés entre eux.
Les autres modalités de fonctionnement du système AMPS sont spécifiques et ne seront pas développées dans ce cours. Nous retenons simplement (la gestion des ressources rares, bien sûr !) que le système utilisait deux bandes de fréquence autour de 800 MHz (824 à 849 et 869 à 894) : la première bande était réservée aux 832 canaux simplex d‛émission, et la deuxième aux 832 canaux simplex de réception. Les canaux se répartissaient les fréquences par un simple multiplexage fréquentiel. Compte tenu des 21 canaux pris pour le contrôle entre le terminal et le réseau, et après découpage des bandes de fréquence selon le pavage des cellules, il ne restait environ que 45 canaux (duplex) disponibles pour 45 communications vocales par cellule. On comprend donc qu‛il fallait passer à une capacité supérieure.
Couches basses WWAN (GSM, GPRS, UMTS)
Le système GSM
Le premier système 2G : D-AMPS Les principes du GSM
Les fonctions associées au GSM
Auteur(s) : Philippe Dussuel - Miage Bordeaux Date de dernière modification : 12 janvier 2006
Le premier système 2G : D-AMPS
La 2G était donc le moyen d‛augmenter les capacités, mais aussi de passer au numérique : il y a eu 4 systèmes 2G, le plus connu étant l‛européen GSM, le premier mis au point étant le D-AMPS, citons aussi le CDMA américain et le japonais PDC.
Le système D-AMPS a été conçu aux Etats-Unis pour accepter dans la même cellule des terminaux analogiques AMPS comme numériques D-AMPS. Il s‛appuie sur des bandes de fréquence nouvelles entre 1850-1910 et 1930-1990 MHz. L‛encodage de la voix est réalisé avec une compression à 8 kbit/s, au lieu des 56 kbit/s du téléphone fixe américain ou du 64 kbit/s européen. On voit donc l‛importance du terminal qui réalise ce traitement, en complément de beaucoup d‛autres fonctionnalités que n‛ont pas les téléphones fixes (qui pour mémoire sont restés analogiques chez les particuliers). Le D-AMPS a naturellement introduit le multiplexage temporel (ou TDM, time division multiplexing), grâce au gain en bande passante permis par la compression : sur un canal qui fait trafiquer 25 trames par seconde, trois utilisateurs se partagent la bande passante. Cela correspond à la philosophie du mode circuit chère aux opérateurs de téléphonie, et le multiplexage temporel alterne les intervalles de temps (ou slots) de 6,67 ms :
Chaque intervalle de temps fait 324 bits, dont 64 pour le contrôle et 260 pour les données utiles (dont 101 pour la correction d‛erreurs).
Le système D-AMPS a été amélioré, en portant la compression de la voix à 4 kbit/s, ce qui a dégradé un peu la qualité sonore mais le contexte hertzien comme les conditions commerciales ne poussent pas à la qualité des communications mobiles : c'est un point
structurant pour les techniques et le contexte économique des WWAN.
Les principes du GSM
Le système GSM (global system for mobile communications), dont le succès a largement dépassé l‛Europe, est présenté ci-dessous. On y retrouve les mêmes concepts, avec les points complémentaires suivants :
Les canaux GSM ont une largeur de bande plus élevée, de 200 kHz, ce qui permet 8 connexions par multiplexage temporel
La bande 890-915 MHz offre donc 124 canaux montants (à partir du terminal), et la bande 935-960 MHz aussi 124 canaux descendants ; le système a ensuite été étendu, avec le DCS 1800 aux fréquences 1710-1785 MHz et 1850-1910 MHz, et avec le DCS 1900 (hors Europe) à 1850-1910 et 1930-1990 MHz
Chaque intervalle de temps comprend 148 bits, et occupe le canal pendant 547 µs Les trames sont imbriquées en 3 niveaux hiérarchiques, le plus petit étant l‛intervalle de temps (IT), la plus élevée étant une multi-trame qui regroupe 26 trames TDM proprement dites, une trame TDM regroupant 8 intervalles de temps :
Le débit total d‛un canal est de 271 kbit/s, informations de contrôle comprises, à partager entre les 8 utilisateurs
Après la soustraction de la correction d‛erreur, il reste 13 kbit/s par utilisateur, dont 9,6 kbit/s de débit net pour les données
Dans la multi-trame, la 13ème trame sert au contrôle et la 26ème est réservée à un usage ultérieur
Le contrôle fait donc l‛objet de canaux logiques dédiés pour la localisation, le traitement des demandes d‛appel, le traitement des appels entrants, l‛acheminement des SMS (short
message service, voir ci-dessous)…
La hiérarchie du réseau cellulaire GSM s‛appuie sur la découpe suivante :
Le sous-système radio rassemble les stations de base (Base Transceiver Station) par un contrôleur (Base Station Controler)
Le MSC appartient au sous-système réseau.
En fait le sous-système radio est en partie filaire ! Il faut bien noter que les liaisons BTS-BSC sont filaires, puisque les opérateurs mobiles utilisent en grande quantité des liaisons louées (LL) d‛opérateurs pour ces besoins, comme pour raccorder les BSC à leur MSC. Cela explique pourquoi entre 2 terminaux GSM en communication, la partie filaire est en général nettement majoritaire, puisque la partie radio se limite aux deux raccordements terminal-BTS. Ce raccordement est appelé « l‛interface air ».
C‛est donc cette interface qui doit gérer les accès concurrents sur la bande de fréquences de la cellule : le multiplexage temporel (qu‛on appelle aussi AMRT accès multiple à répartition dans le temps ou TDMA) assure ainsi le partage des ressources, dans la philosophie qui est le mode circuit classique des opérateurs. Les trames respectent le protocole LAP-Dm avec une fenêtre d‛anticipation réduite à la taille 1, transmission hertzienne oblige.
Quand un mobile GSM peut communiquer avec deux BTS, il choisit celle qu‛il reçoit avec le plus de puissance : le rôle du terminal est bien sûr crucial.
Les MSC sont des commutateurs de circuits et sont reliés entre eux : leur particularité est d‛assurer l‛interface entre les circuits 64 kbit/s du réseau fixe (et inter-MSC), et les circuits 9,6 kbit/s du sous-système radio.
Sur l'interface air, il peut y avoir jusqu‛à 10 types de canaux en parallèle, ce qui illustre la complexité du système :
Le canal plein débit (data/voix) à 13 kbit/s ou 5,6 ou 9,6/12 ou 4,8/6 kbit/s, qui sert essentiellement à constituer le circuit ci-décrit dessus,
9 canaux de signalisation (appel, localisation, SMS, handover, synchronisation, fréquences…) de débit inférieur à 1 kbit/s.
Les fonctions associées au GSM
Le réseau GSM s‛appuie sur la technique du Réseau Intelligent qui est aussi utilisée pour d‛autres services dans la téléphonie fixe.
La fonctionnalité la plus intéressante de ce point de vue est la gestion de la localisation : le HLR (home location register) est une base de données qui gère les abonnés rattachés au MSC ; le VLR (visitor location register) localise quant à lui les mobiles passant dans la zone du MSC. La technique de réseau intelligent consiste à interroger ces bases de données par un échange de signalisation lors du traitement de l‛appel, ce qui permet de vous localiser même quand votre terminal (pourvu qu‛il soit allumé) n‛est pas dans une cellule dépendant de votre MSC de rattachement nominal.
L‛identité de l‛abonné et la validité de l‛abonnement sont permises par l‛interrogation de la carte SIM (subscriber identity module) stockée dans le terminal.
La carte SIM est à la base de services à valeur ajoutée s‛appuyant sur l‛authentification du porteur du terminal. La carte SIM est une carte à puce, qui peut aussi héberger des données et exécuter des mini-applications. Ces aspects sont importants pour le développement des services mais ne seront pas traités ici.
On peut aussi mentionner la gestion du roaming (itinérance) : se servir de son terminal sur d‛autres réseaux. Cela nécessite que les opérateurs concernés aient signé un contrat de roaming.
Enfin nous avons mentionné les fameux SMS dans les utilisations des canaux de signalisation : en effet, les Short Messages Services sont devenus payants et promus par le marketing, quand les opérateurs se sont aperçus du potentiel commercial des SMS alors que
l‛UMTS n‛arrivait pas… Les SMS ne sont pas acheminés par les circuits pleins, mais par les canaux de signalisation, ce qui est logique puisqu‛ils ne contiennent que quelques caractères, et cela correspond à leur usage initial comme leur nom l‛indique. Leur utilisation ne consomme pas les ressources en circuits comme le font les appels ! C‛est aussi pour cela qu‛on peut échanger des SMS pendant une conversation téléphoniques. Mais c‛est aussi pour cela que les SMS n‛arrivent pas instantanément, car leurs trames ne sont pas acheminées dans un circuit dédié : il n‛y aucune garantie de délai d‛acheminement d‛un SMS, ce qui peut être rédhibitoire pour certains usages liés à la sécurité.
Des estimations situaient le coût de revient d‛un SMS pour l‛opérateur à moins d‛1 c€ il y a déjà plusieurs années : depuis le prix public n‛est pas vraiment descendu en dessous de 15 c€… A noter que les MMS (Multimedia Message Service), forts objets de marketing à leur tour, comprennent du contenu multimédia qui ne peut plus passer dans les canaux de signalisation.
Couches basses WWAN (GSM, GPRS, UMTS)
Le système GPRS
Le principe du GPRS Le fonctionnement du GPRS
EDGE, une évolution importante
Auteur(s) : Philippe Dussuel - Miage Bordeaux Date de dernière modification : 12 janvier 2006
Le principe du GPRS
L‛intérêt majeur, et peut-on dire le coup de génie du système GPRS, c‛est d‛arriver à faire du mode paquet sur une infrastructure en mode circuit : c‛est pourquoi on l‛a baptisé le système 2,5G, puisqu‛il est bien utile pour transmettre des données quand l‛UMTS n‛est pas encore déployé. Initialement peu apprécié parce que jugé hybride et temporaire, le GPRS rend finalement bien des services.
On a vu que la technologie numérique du GSM permet intrinsèquement de l‛utiliser pour transmettre des données : mais le débit utile est figé par le circuit à 9,6 kbit/s. Les opérateurs ont bien essayé de vendre au début des années 2000 des accès WAP sur des seules connexions GSM, mais les temps d‛attente étaient insupportables (sauf peut-être pour un adolescent japonais motivé…) et l‛échec commercial a été patent.
Entre temps avait été étudié comment superposer un réseau de paquets IP à un réseau D-AMPS ou GSM : c‛est le système GPRS (general packet radio service).
La solution est alors d‛accéder à plusieurs tranches de temps sur la même trame pour le même utilisateur. Dans la cellule, on pourra gérer dynamiquement le nombre d‛intervalles de temps pour la voix et pour les données.
Il est donc mis en place un protocole pour agréger dynamiquement de 0 à n canaux à 9,6 kbit/s, notamment sur l‛interface radio qui reste le goulot d‛étranglement ; on arrive à 170 kbit/s théoriques.
En pratique on dispose de 40 kbit/s descendants maximum (4*9,6) et 10 kbit/s montants. Des terminaux récents offrent 20 kbit/s montants mais pas encore les opérateurs.
Le fonctionnement du GPRS
La connexion est donc permanente et facturée au volume (kOctets) ou selon un forfait : s‛il n‛y a pas de données à échanger pendant une période dans la connexion, le nombre de circuits à 9,6 kbit/s redescend dynamiquement à zéro, on ne consomme pas de circuit et on a donc un avantage économique comme si l‛on était en mode paquet.
Les HLR et VLR continuent à être utilisées avec les canaux de contrôle.
Les paquets de données IP sont transportés par le sous-système radio entre le terminal et le routeur SGSN(serving GPRS support node) : celui-ci assure le tunnel IP (encapsulation de paquets IP dans d‛autres paquets IP) vers le cœur IP. Il y a donc indépendance entre l‛adressage IP du backbone IP GPRS et du réseau IP interconnecté. Ce réseau IP externe est à choisir : soit on bénéficie d‛un accès à l‛Internet ou à un Intranet, via le GGSN (gateway GPRS support node). Le SGSN et le GGSN sont d‛abord des routeurs IP.
Grâce aux échanges de signalisation avec la HLR et la VLR, le terminal se connecte au SGSN proche, tout en empruntant l‛infrastructure du GSM. Les HLR/VLR ont été améliorés pour offrir des services de transport de données point à point et point à multipoint.
Un SGSN gère hiérarchiquement plusieurs sous-sytèmes radio. Les SGSN communiquent entre eux en IP, le SGSN d‛arrivée passant la main au GGSN qui voit en direct le réseau IP externe ; ce GGSN peut appartenir à l‛opérateur ou bien à l‛entreprise qui possède le réseau IP externe. Il gère le routage pour maintenir les tunnels grâce aux HLR. Des protocoles ont donc été ajoutés le long de la chaîne dessinée ci-dessus : GTP (GPRS tunneling protocol) côté backbone IP, et SNDCP (subnetwork dependant convergence protocol) côté GSM. Le routage IP externe est ainsi supporté de bout en bout.
La limitation du GPRS (ne pas perdre de vue les ressources rares, bien sûr), c‛est qu‛il a besoin de canaux GSM pour offrir du débit : or si tous les utilisateurs GPRS occupent 4 canaux descendants, il n‛en reste plus pour les utilisateurs GSM (usage vocal), qui sont
pourtant prioritaires… Les opérateurs ont donc renforcé leurs capacités GSM pour le GPRS, mais d‛une part ils sont limités par les fréquences disponibles, et d‛autres part ces équipements radio coûtent cher et seront à mettre à la poubelle quand l‛UMTS aura remplacé la 2G…
EDGE, une évolution importante
Et justement il y a une évolution supplémentaire du GSM qui va au delà du GPRS : c‛est le système EDGE (Enhanced Data rates for Gobal Evolution), parfois appelé 2,75G, qui offre 384 kbit/s descendants théoriques, en pratique on atteint 200 kbit/s descendant actuellement ; une évolution significative est aussi menée sur le débit montant qui devrait monter à 64 kbit/s, ce qui facilite certains usages au delà des simples requêtes. Mais les améliorations sont plus lourdes sur les stations de base, donc plus chères : la migration GPRS/ EDGE revient à une mise à jour logicielle du contrôleur des stations de base de l'opérateur, et à l'ajout d'une nouvelle unité d'émission - réception par station. Cependant les améliorations apportées pour le GPRS sur le reste du réseau GSM sont réutilisées. Les fréquences GSM sont inchangées, mais la norme met en oeuvre de nouveaux schémas de codage assortis d'une nouvelle technique de modulation par rapport au GPRS, ce qui lui permet d'augmenter nettement son débit. Appelée 8-PSK (8 Phase Shift Keying), cette modulation autorise le transfert de 3 bits par impulsion, là où le GPRS ne peut en gérer qu'un (modulation GSMK). EDGE peut cependant aussi effectuer du GSMK en cas de défaillance, car le protocole est capable d'adapter dynamiquement la modulation et les schémas de codage. Comme le GPRS, le terminal EDGE doit être compatible, sinon vous pouvez le mettre à poubelle…
On trouve sur http://www.ericsson.com/products/white_ papers_pdf/edge_wp_ technical.pdf la liste actualisée des opérateurs ayant déployé la technologie EDGE dans le monde. Il est amusant de constater que la tendance est de l‛englober dorénavant dans la famille 3G, en oubliant qu‛elle est construite sur l‛infrastructure GSM…
On comprend ainsi la stratégie de Bouygues Telecom d'investir sur EDGE pour faire l'impasse sur l'UMTS, de mieux rentabiliser les ressources en fréquences que le GPRS, et aller directement au HSDPA (en général baptisé 3,5G).
Couches basses WWAN (GSM, GPRS, UMTS)
Le système UMTS
Principe La montée en puissance du CDMA
Vocabulaire 3G
Auteur(s) : Philippe Dussuel - Miage Bordeaux Date de dernière modification : 12 janvier 2006
Principe
Il s‛agit d‛une normalisation européenne d‛un système censé être universel, et appelé Universal Mobile Telecommunication System. Il y a bien une vision globale : accès + réseau central (access + core network), qu‛on retrouve dans les sigles :
UMTS SIM + UMTS Terrestrial Radio Access + UMTS Satellite Radio Access.
Des méchantes langues ont rebaptisé l‛UMTS « Unlimited Money To Spend » après les déboires et gâchis liés aux enchères des licences UMTS au début des années 2000.
L‛UMTS est donc la version européenne de la famille IMT2000 de l‛UIT-T (organisme international de normalisation des Télécoms). Les fréquences sont à trouver par les régulateurs autour de 2 GHz, et la norme prévoit d‛allouer dorénavant des plages de 5 MHz, pour faire grimper les débits. Les fonctionnalités annoncées sont les suivantes : mobilité avec environnement personnel virtuel, débits 144 kbit/s, puis 2 Mbit/s en mobilité réduite, handover entre systèmes IMT-2000 et systèmes 2G, interconnexion RNIS, X25, IP.
La normalisation de l‛IMT2000 et de l‛UMTS a été chaotique, et laisse encore des variantes dues aux affrontements du passé. On trouve dans l‛UMTS une influence japonaise et américaine : le Wideband CDMA remplace le TDMA du GSM, au moins dans la plupart des implémentations.... Cette fois, la téléphonie mobile fonctionne en mode paquet !
Il faut savoir qu'au Japon le déploiement de la 3G a été plus rapide que l'UMTS, mais qu'il s'agissait de débits nettement plus faibles. Avec la montée en débit, les terminaux doivent acquérir des performances peu évidentes pour des équipements sur batterie, et la 3G est aussi l'occasion de formidables évolutions technologiques sur les batteries et la maîtrise de la consommation électrique.
La montée en puissance du CDMA
Pour être honnête, il faut faire un détour sur un système 2G qui a été développé et largement mis en œuvre aux Etats-Unis et au Japon (en concurrence avec le GSM et le D-AMPS), et qui est le CDMA (normalisé sous le nom IS95) : il y avait déjà un système 2G en mode paquet ! Il a été conçu par la société Qualcomm aux Etats-Unis et il offre finalement de sérieux d‛avantages.
Le principe du CDMA est d‛autoriser chaque station à émettre sur la totalité du spectre de la cellule : donc exit la découpe en canaux. Il faut alors comprendre, et c‛était révolutionnaire à l‛époque pour le monde des opérateurs (bien qu‛utilisé déjà pour les communications militaires pour limiter les brouillages), que des signaux différents sur un tel spectre peuvent s‛ajouter, au lieu de considérer que les trames vont rentrer en collision et devront être jetées. Il y a une analogie, classique dorénavant, qui explique ce phénomène : imaginez que dans une grande salle, de nombreux petits groupes mènent chacun leur discussion dans leur propre langue, en filtrant les autres groupes puisqu‛ils parlent d‛autres langues. L‛algorithme s‛appuie sur un codage a priori compliqué et cher, puisqu‛il utilise plusieurs bits (appelés chips) pour transmettre un seul bit logique (c‛est à dire un 1 ou un 0) ; chaque station est identifiée par son code de chips, mais dispose de tout le spectre, ce qui compense largement le surcoût des chips en débit, et on utilise des séquences ayant une propriété entre elles, alors on peut retrouver les bits (et même les silences) de chaque émetteur dans le total des chips reçus et supposés synchronisés. Pour avoir la justification scientifique de l‛algorithme utilisé, il faut que le lecteur avale de la théorie du signal et des modèles mathématiques sur l‛orthogonalité des séquences d‛identification, ce à quoi nous l‛encourageons bien entendu, mais nous ne fournissons pas le cachet d‛aspirine. Malgré le bruit, les problèmes de synchronisation et de puissances différentes des signaux à ajouter, le CDMA donne à l‛utilisateur une bande passante supérieure au GSM. Et il n‛y a pas besoin de réserver le circuit comme le gère le TDMA.
L‛UMTS s‛apppuie donc sur le W-CDMA, c‛est une amélioration du CDMA pour des fréquences et des débits plus élevés. Il faut toutefois une concentration de stations de base plus importante, car les fréquences élevées s‛affaiblissent aussi plus vite et donc la portée est plus faible que le GSM.
L‛évolution vers le mode paquet concerne aussi le reste du réseau, en introduisant d‛abord ATM puis IP derrière les stations de base, puis dans le transport au cœur du réseau entre les commutateurs UMTS.
Vocabulaire 3G
La station de base est appelée NodeB, les NodeB sont reliés par des liaisons 2 Mbit/s à un contrôleur appelé RNC (Radio Network Controller), qui sépare les données de la voix, et les envoie vers des équipements chargés de leur traitement spécifique ; le commutateur MSC (Mobile Switching Center) s‛appelle UMSC parce qu'il est compatible UMTS, il transfère la voix et les SMS vers les réseaux de téléphonie fixes ou mobiles des autres opérateurs, via une passerelle de routage appelée GMSC (Gateway MSC) ; comme la voix parvient au MSC en mode paquets, on adjoint à cet équipement une passerelle (Media Gateway) qui permet de repasser en mode circuit. Pour les données, l‛UMSC passe le relais au SGSN et au GGSN sont similaires au GPRS.
Mais il y a incompatibilité entre le réseau d‛accès UMTS (URAN) et les stations de base GSM : c‛est donc un investissement significatif pour les opérateurs UMTS. Il s‛en suit que les zones de couvertures, malgré les obligations de l‛ARCEP dans l‛octroi des licences, privilègient les zones très denses, pour avoir une rentabilité des équipements radio : le GPRS et l‛EDGE ont donc encore de l‛avenir, d‛autant plus que les débits UMTS restent en deçà des promesses initiales en plafonnant à 300 kbit/s. Les terminaux ne sont pas prêts officiellement… mais les clients ne veulent pas payer non plus des abonnements exagérés à leur opérateur. L‛interopérabilité entre les réseaux GSM et l‛UMTS (du moins pour le client qui a acheté le terminal GSM et UMTS) est aussi une raison de ne pas accélérer la couverture : le client s‛habitue à avoir le GSM/GPRS/EDGE quand il n‛est pas dans une zone UMTS, et les opérateurs en ont fait un élément structurant de leur stratégie.
Couches basses WWAN (GSM, GPRS, UMTS)
Exercices
Exercice 1 : questions de cours Exercice 2 : questions de cours et de réflexion
Exercice 3 : radiocommunications professionnelles
Auteur(s) : Philippe Dussuel - Miage Bordeaux Date de dernière modification : 12 janvier 2006
Exercice 1 : questions de cours
1/ Les bandes de fréquences utilisées par les réseaux GPRS sont-elles plus élevées ou plus basses que celles des réseaux GSM ?
2/ Cocher l‛assertion qui est vraie et justifier votre réponse :
Une communication GPRS a un débit descendant
2.1 en général supérieur à une communication GSM
2.2 toujours supérieur à une communication GSM
2.3 en général inférieur à une communication GSM
2.4 toujours inférieur à une communication GSM
Exercice 2 : questions de cours et de réflexion
1/ On modélise la couverture géographique d‛un système de téléphonie mobile par des cellules hexagonales régulières. L‛opérateur dispose de 840 fréquences (ou plus exactement des canaux de fréquences). Rappeler le principe de réutilisation des bandes de fréquences et trouver combien de fréquences sont utilisables dans une cellule donnée.
2/ Sur le terrain, à quoi correspondent les cellules ? Sont-elles régulières ?
Exercice 3 : radiocommunications professionnelles
La norme TETRA (Terrestrial Trunked Radio) est un standard européen de radiocommunications professionnelles. Ces systèmes radio voix et données, à ressources partagées, sont destinés aux équipes de sécurité (police, pompiers, ambulances), aux personnels d'usines, ou à tout autre groupe fermé d'utilisateurs. Ils se différencient des systèmes publics de téléphonie mobile par
● la rapidité d'établissement des communications,● la possibilité de chiffrement de bout en bout,● les fonctions d'appels prioritaires et de groupe.
De plus, l'utilisation du mode optionnel DMO (Direct Mode Operation) permet à deux terminaux de communiquer à la façon d'un talkie-walkie, sans passer par une station de base.
Question 1 :
1.a) On rappelle que la téléphonie mobile 3G utilise en Europe des bandes de fréquence entre 1900 MHz et 2100 MHz. Donner les noms des normes européennes 2G, 2,5G et 3G. Rappeler dans quelles plages de fréquence fonctionnent les systèmes 2G et 2,5G en Europe.
1.b) TETRA opère à l'intérieur de la bande de fréquences 380-400 MHz pour les services d'urgence et dans les bandes 410-430 MHz, 450-470 MHz et 870-880 MHz pour les applications civiles et privées. Y a t-il un risque d‛interférence avec les utilisateurs de téléphonie mobile ?
1.c) Y a-t-il un risque d‛interférence entre des réseaux TETRA et des réseaux Wi-Fi ?
Question 2 : Un réseau TETRA exploite des transmissions TDMA (Time Division Multiple Access). Ciblant les réseaux à forte densité, TETRA vise à maximiser l'utilisation des fréquences. Le débit maximal est de 28,8 kbit/s. De quel système de téléphonie mobile TETRA est-il le plus proche, en terme de technique d‛accès ?
Question 3 : Des travaux sur la version 2 de TETRA sont actuellement en cours. Les évolutions couvriront notamment les données haut-débit (on vise un débit de 200 kbit/s), un meilleur codage de la voix, des améliorations de l'interface radio (distances accrues), des fonctions comme le roaming, et l'évolution de TETRA SIM (Subscriber Identity Module) vers USIM (Universal SIM). Quelle convergence peut-on espérer ? Comment ?
Solution de l'exercice 1
1/ Les mêmes puisque le GPRS fonctionne sur le GSM
2/ 2.1 car en général ça prend 40 kbit/s au lieu de 10 kbit/s pour le GSM, mais la communication peut tomber à 0 canal pendant les pauses grâce au mode paquet.
Solution de l'exercice 2
1/ Le pavage avec des hexagones réguliers conduit à ce que chaque cellule ait 6 voisins. Le principe de non-réutilisation des fréquences entre 2 cellules adjacentes nous amène à jouer sur 3 bandes de fréquences et attribuer successivement une de ces 3 bandes à chaque cellule, en translatant ces attributions. On arrive donc à 840/3 = 280 fréquences par cellule.
2/ Les cellules correspondent à la zone dans laquelle les terminaux reçoivent les signaux de(s) BTS de la cellule correctement ; même si la cellule correspond à une distance maximum des BTS, il n‛y a aucune raison que les conditions de propagation (dont le relief, l‛urbanisme…) conduisent à des cellules de forme géométrique ou régulière. La modélisation du 1/ est donc très théorique…
Solution de l'exercice 3
1.a)2G = GSM ; 2,5G = GPRS ; 3G = UMTS. Le GPRS fonctionne sur les infrastructures GSM, donc dans les mêmes fréquences : autour de 900 MHz et de 1800 MHz en Europe.
1.b)Les fréquences sont disjointes, donc pas d‛interférence avec le GSM et l‛UMTS.
1.c)Le Wi-Fi est sur 2,4 GHz (802.11a & 802.11g) et 5 GHz (802.11a), donc nettement au delà des fréquences de TETRA.
2) Le TDMA est la technique d‛accès et de répartition des fréquences du GSM. Elle correspond à l‛établissement de circuits, à capacité dédiée, pour la voix ou les données.
3) On espérer une convergence de services pour les utilisateurs TETRA vers les services 3G, grâce à la carte SIM universelle ; ces services seront le roaming (prise en charge d‛un client sur un réseau où il n‛est pas directement abonné) entre infrastructures, l‛interconnexion entre utilisateurs de réseaux différents. Certains terminaux permettront de passer d‛une infrastructure TETRA à UMTS, de la même manière que les nouveaux terminaux sont compatibles GSM et UMTS.
