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Module 219 Aspects avancés des réseaux Chapitre 3 : Réseaux cellulaires Introduction GSM GPRS UMTS Gérard-Michel Cochard [email protected]

Les réseaux cellulaires de radiotéléphonie

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  • Module 219

    Aspects avancs des rseaux

    Chapitre 3 : Rseaux cellulaires

    Introduction GSM GPRS UMTS

    Grard-Michel Cochard

    [email protected]

    mailto:[email protected]

  • Introduction

    Les rseaux cellulaires de radiotlphonie La tlphonie cellulaire

    Bibliographie et Webographie

    Les rseaux cellulaires de radiotlphonie

    La tlphonie a t l'origine des premiers rseaux de tlcommunication. Les progrs de l'informatique, la numrisation de l'information et la banalisation de l'Internet ont fait converger les rseaux tlphoniques vers les rseaux informatiques avec une volont (une ncessit ?) d'unification.

    Un autre concept est prendre en considration : le dveloppement de la mobilit en tlcommunication qui permet le passage de terminaux "fixes", c'est dire relis "en dur" au rseau, des terminaux mobiles transports par l'usager et connectables n'importe quel pont gographique (en principe !). Pour la tlphonie, cette tendance a conduit au dveloppement de rseaux d'accs mobiles de type cellulaire.

    Les premiers rseaux de ce type taient bass sur le transport d'informations analogiques comme l'tait, au dpart, la tlphonie fixe. Ces premiers rseaux sont qualifis de 1re gnration. le plus connu, en France tait Radiocom 2000. Ces rseaux ont laiss assez rapidement la place une nouvelle gnration (2me gnration) mettant en application les technologies numriques. Elles ont notamment donn naissances aux rseaux GSM (en Europe), PDC (au Japon) et PCS (aux Etats-Unis).

    Une nouvelle famille de normes (UMTS) conduit aujourd'hui une troisime gnration (3G) de rseaux et de terminaux mobiles. En fait, il existe une gnration intermdiaire appele 2,5G dont des reprsentants sont le GPRS et EDGE.

  • Autour des ces rseaux tlphoniques nouveaux se sont dvelopps des services, des solutions logicielles et des dispositifs de manipulation, d'accs, de prsentation, ...

    La tlphonie cellulaire

    La tlphonie mobile utilise des frquences radiolectriques rsultant d'un partage du spectre. La bande utilise se situe dans la plage 150MHz - 1 GHz pour les systmes existants. Comme la tlphonie mobile utilise un multiplexage en frquence, il est ncessaire de dcouper le territoire en cellules associes des jeux de frquences diffrents pour viter le brouillage. Le mme jeu peut alors tre utilis par des cellules distinctes

  • suffisamment loignes. La taille des cellules est dtermine par les deux paramtres que sont la zone de couverture et la distance de rutilisation.

    zone de couverture : zone dans laquelle le rapport signal sur bruit est suprieur un seuil (gnralement 90%)

    distance de rutilisation : distance partir de laquelle on peut rutiliser une frquence dfinie dans une zone voisine.

    Comme l'indique leur nom, les terminaux mobiles se dplacent et il convient d'assurer par le rseau deux fonctions essentielles : la localisation (dans quelle cellule se trouve le mobile) et le changement de cellule (handover) qui ne doit pas perturber une session.

    Pour modliser le dcoupage du territoire en cellules, on fait appel des cellules hexagonales ce qui permet un pavage exhaustif. On souhaite trouver des ensembles de cellules permettant de diffrencier les frquences. On montre que le nombre N d'un tel motif obit la rgle

    N = i2 + ij + j2 (i, j entiers)

    exemples : Dtermination de N partir de i et j

  • On peut vrifier que pour N = 3, la distance de rutilisation D vaut 3R o R est le ct de l'hexagone ; Pour N = 4, D = 2R (3) ; Pour N = 7, D = RV(21). On peut vrifier la rgle gnrale D = R(3N) .

    Bien entendu, pour une meilleure efficacit, une cellule peut tre dcompose en plusieurs cellules, ce qui est le cas dans les milieux urbains.

    On constatera que le motif doit comporter un nombre N de cellules le plus grand possible pour diminuer les effets d'interfrence. Mais par ailleurs, la distance entre l'metteur relais et le mobile joue aussi un rle dterminant de sorte qu'il faut arriver un compromis satisfaisant.

    Bibliographie et Webographie

    Alain Fouquet, Jean-Pierre Worgague, La rvolution des usages porte par l'volution technologique des rseaux,

    Mmento technique n17 : Mobiles Multimdias - chap 3. ; http://www.rd.francetelecom.com/fr/conseil/mento17/chap3b.html

    Pierre Lescuyer, UMTS : Les origines, l'architecture, la norme ; Dunod Transmission des tlcommunications, Cours B11, CNAM

    http://www.rd.francetelecom.com/fr/conseil/mento17/chap3b.htmlhttp://www.rd.francetelecom.com/fr/conseil/mento17/chap3b.html

  • GSM

    Prsentation Architecture du rseau GSM

    Connexion au rseau Canaux et multiplexage

    Prsentation

    Le GSM (Global System for Mobiles) est une technologie europenne mettre en parallle avec des technologies quivalentes en Amrique du Nord (IS-95) et au Japon (PDC). Toutefois, GSM a fait ses preuves, il suffit de regarder autour de soi et voir la place que prend maintenant la tlphonie mobile.

    C'est pourtant aux Etats Unis que s'est dveloppe en premier la tlphonie mobile grce notamment la normalisation AMPS (Advanced Mobile Phone Service) en 1982. L'Europe a combl son retard en 1987 avec le GSM qui permet une disponibilit tlphonique (voix, services) quel que soit le lieu et pour un quipement mouvant.

    Le terminal, appel quelquefois station mobile (MS : Mobile Station) , est compos d'un quipement lectronique et d'une carte puce appele carte SIM (Subscriber Identification Module).

    La carte SIM a pour fonction principale d'identifier et d'authentifier un abonn tlphonique un rseau tlphonique. Elle comporte galement des fonctionnalits annexes. On notera donc que l'on peut changer d'quipement GSM sans problme : c'est la carte SIM qui est le dispositif permanent.

    La connexion au rseau tlphonique s'opre par liaison radio entre le terminal et une antenne fixe appele BTS (Base Transceiver Station). Cette communication est videmment la plus vulnrable car la liaison radio est facile capter par d'ventuels pirates. C'est pour cette raison que les missions radio doivent tre cryptes.

  • Architecture du rseau GSM

    Le rseau est du type arborescent (comme d'habitude) :

    Plusieurs BTS sont contrles par un BSC (Base Station Controller). Les BSC sont relies aux noeuds de commutation du rseau appels MSC (Mobile-services Switching Centre) qui comprennent une base de donnes VLR (Visitor Location Register) dont la fonction est de localiser l'abonn dans une zone gographique donne (LA : Location Area). L'abonn est enregistr dans une base de donnes centrale appele HLR (Home Location Register) ; HLR contient le numro du dernier VLR o l'abonn a t repr. AUC (AUthentification Centre) est une base de donnes permettant l'authentification de l'abonn.

    Le MSC est galement en relation avec des passerelles permettant de vhiculer les messages vers le rseau tlphonique commut RTC ou vers Internet.

  • Connexion au rseau

    Les BTS ont pour fonction de dtecter la prsence d'un tlphone portable ; ils mettent priodiquement des signaux qui sont reus par le MS. Celui-ci, qui peut recevoir des signaux de plusieurs BTS slectionne le BTS qui est le plus adquat sur des critres nergtiques (niveau de rception) ou de disponibilit (la BTS la moins charge).

    Cette slection tant faite, le MS envoie au BTS choisi une requte de connexion compose de l'identifiant de l'abonn (qui est dans la carte SIM) ; si le BTS peut accepter la connexion, elle envoie un acquittement ACK. Si elle ne peut accepter la connexion (par exemple si elle n'a pas de canaux disponibles) elle envoie un message ALERT (le MS doit alors choisir une autre BTS).

    Cette simplicit n'est qu'apparente car une BTS peut trs bien recevoir simultanment des requtes de connexion provenant de deux MS diffrents ; dans ce cas ces requtes se superposent et donnent lieu un signal incomprhensible (collision). Cette situation n'est pas nouvelle ; elle a dj t traite dans le cas des rseaux locaux comme les rseaux Ethernet. Cependant le problme est ici diffrent car la collision ne peut tre dtecte par le MS (qui ne l'"entend" pas). On utilise alors le protocole Aloha qui est trs simple : si au bout d'un certain dlai (timeout), le message ACK n'est pas reu par le MS, on considre que la requte n'est pas arrive et on met une nouvelle requte aprs un dlai alatoire compris entre 0 et tmax. Le choix de timeout et de tmax influe bien videmment sur le dbit effectif du rseau.

    Dans le cas o la connexion est accepte, la BTS transmet la requte au BSC qui elle mme la transmet au MSC avec le numro de la BTS ce qui permet de mettre jour la VLR (enregistrement de la localisation). Celle-ci transmet galement les informations de localisation au HLR pour mise jour. Tout ce processus correspond l'identification de l'abonn.

    Il faut maintenant passer au processus d'authentification. La carte SIM comporte l'identifiant ID de l'abonn et une cl secrte compose en fait de deux cls C1 et C2. Par ailleurs, le AUC comporte les mmes informations : connaissant ID, il trouve les cls C1 et C2 dans ses tables. AUC construit un message partir d'un nombre N gnr alatoirement et qu'il encode avec la cl C1 ; il envoie ce message (via la chane AUC-HLR-MSC-BSC-BTS-MS) au MS. Ce dernier, l'aide de la cl C1, dcode le message et rcupre donc le nombre N qu'il encode avec la cl C2 ; ce nouveau message est envoy AUC (via la chane MS-BTS-BSC-MSC-HLR-AUC) ; AUC peut le dcoder avec la cl C2 et rcupre donc N ; il peut vrifier que c'est bien le nombre initial. Si c'est le cas, l'authentification a russi. Il faut alors avertir le MS qu'il a t authentifi.

    Il faut maintenant proposer une cl d'encryptage pour la suite de la connexion (puisque la transmission radio doit tre scurise). C'est la carte SIM qui calcule cette cl K partir du nombre N et des cls C1 et C2. AUC fait de mme et transmet K la BTS. MS et BTS peuvent alors changer des messages crypts avec la cl K.

  • Canaux et multiplexage

    GSM combine deux mthodes de multiplexage :

    FDMA (Frequency Division Multiple Access) ou AMRF (Accs Multiple Rpartition en Frquence) est un multiplexage frquentiel partageant la bande de frquence 890-915 MHz en 124 canaux de 200 KHz pour les voies montantes (BTS -> MS) et la bande 935-960 MHz en 124 canaux de 200 KHz pour les voies descendantes (MS -> BTS). Chaque canal ainsi dfini possde un dbit nominal D. Notons que ceci est valable pour les oprateurs France Telecom et SFR (GSM900) ; l'oprateur Bouygues utilise des frquences autour de 1800 (GSM1800).

    TDMA (Time Division Multiple Access) ou AMRT (Accs Multiple Rpartition dans le Temps) est un multiplexage temporel utilis dans chaque canal ou voie. Une voie peut vhiculer 8 communications diffrentes de la manire suivante : Le temps est divis en slots ou IT (Intervalles de temps) de dure 577 microsecondes, numrots de 0 7. L'ensemble de 8 IT conscutifs constitue une trame. Une communication s'effectue dans un slot de numro dfini, par exemple 4 ; Les trames se succdent mais la communication n'utilise que le slot 4 de chaque trame. Le dbit effectif de la communication est donc D/8. La dure d'une trame est de 4,615 ms. Une srie de 26 trames constitue une supertrame (ou multitrame). Les trames 12 et 26 sont rserves au service.

    La voix est numrise par un convertisseur A/N au niveau du MS. C'est donc de l'information numrique qui est transmise entre MS et BTS, c'est dire une suite de bits. Durant un IT, un paquet de bits est transmis comportant des bits de contrle et des bits d'information (crypts). La structure type d'un paquet d'information est donne ci-dessous :

  • TB (Tail Bits) correspond 3 bits, GP (Guard Period) correspond 8,25 bits et vise compenser la dure de transmission entre MS et BTS ; PR est un champ pour les paramtres de rception.

    Par suite, sachant que 116 bits utiles sont envoys pendant une priode de 577 microsecondes, que la communication utilise une IT sur 8 et que 24 trames sur 26 sont utilises, le dbit effectif est

    d = (116 000 000/577)x(1/8)x(24/26) = 23,197 Kbits/s

  • GPRS

    Prsentation Architecture du rseau GPRS

    Protocoles Connexion au rseau

    Canaux et multiplexage EDGE

    Bibliographie et Webographie

    Prsentation

    On peut prsenter le GPRS (General Packet Radio Services) comme une volution du GSM. Il a, en effet, t prsent comme tel lors de son introduction l'ETSI (European Telecommunication Standard Institute) en 1994 (dbut de mise en service : 2001) . Il est quelquefois prsent comme rseau de 2,5G (gnration intermdiaire entre la deuxime et la troisime gnration). Son introduction vise corriger les imperfections du GSM :

    trop orient "tlphonie" et pas assez orient "donnes" faible dbit fiabilit non assure

    Qu'apporte donc le GPRS par rapport au GSM ? Tout d'abord, un dbit plus important allant jusqu' 171,2 Kbits/s ce qui est beaucoup plus confortable. Ensuite un certain nombre de services supplmentaires orients multimdia : notamment l'accs Internet et au Web, la diffusion d'informations graphiques (une des possibilits la plus remarquable est la prise de photographie suivie de sa transmission).

    Il faut insister aussi sur une diffrence importance entre GSM et GPRS : le premier travaille en mode "circuit" comme le tlphone "ordinaire", le second en mode "paquet". Cela signifie que l'information est dcoupe en paquets (comme dans IP) et qu'un canal logique GPRS transmet des paquets. La connexion n'est assure que pendant la transmission de paquets (pas de silence) alors qu'en mode "circuit", la connexion reste maintenue tant que l'un des abonns n'a pas raccroch (le silence est donc d'"or" car il est factur comme la parole).

    Enfin, signalons la possibilit d'obtenir une simultanit de services. On peut la fois utiliser conjointement une session GSM et une session GPRS : on peut tlphoner (GSM) et envoyer des donnes simultanment (GPRS) ou encore transmettre une image (GPRS) et un SMS (GSM). Comme on le verra plus loin, cette simultanit de services provient du multiplexage. Ces possibilits dpendent toutefois

  • des classes d'abonnement

    classe A : usage simultan de tous les services et dans de bonnes conditions classe B : idem mais avec une restriction sur la qualit de la parole classe C : pas de simultanit.

    Le multiplexage permet de multiplexer plusieurs usagers sur un mme canal physique mais aussi permet un usager de bnficier de plusieurs canaux. Le nombre maximal de canaux logiques pour un usager est de 8 (on utilise alors tous les IT d'une trame GSM). Cependant le nombre de canaux logiques utilisables simultanment par un terminal dpend de celui-ci avec une rpartition sens descendant et sens montant.

    Architecture du rseau GPRS

    Le rseau GPRS utilise le rseau GSM pour la couche physique. Il faut simplement y adjoindre deux noeuds supplmentaires :

    SGSN (Serving GPRS Support Node) : ses fonctionnalits principales sont la gestion de la mobilit (changement de cellule), et la conversion des donnes du terminal en paquets de type IP (et rciproquement).

    GGSN (Gateway GPRS Support Node) : il assure la connexion avec les rseaux de donnes de type Internet (accs un rseau local d'entreprise, accs un serveur Web).

    Un module logiciel est toutefois ajout au BSC : PCU (Packet Control Unit) qui fait la diffrence entre les donnes "circuit" de GSm et les donnes "paquet" de GPRS.

  • Protocoles

    Deux protocoles sont utiliss pour l'encapsulation/dcapsulation des donnes :

    GTP (GPRS Tunnnelling Protocol) qui produit au niveau de GGSN un paquet encapsulant un paquet IP destin au terminal

    SNDCP (Sub-Network Dependent Convergence Protocol) qui encapsule au niveau de SGSN un paquet GTP destin au terminal

  • En fait, GPRS utilise toute une srie de protocoles, du rseau "coeur" au rseau d'accs :

    La couche physique est celle de GSM qui utilise me mode mixte TDMA/FDMA.

    Le niveau suprieur est constitu dans le rseau d'accs de trois couches MAC, RLC et LLC. Les paquets SNDCP sont convertis en trames LLC ( de type HDLC/LAPD) qui leur tour sont segmentes dans des blocs radio RLC (ensemble de 4 trames GSM). Le dcoupage est "brut" en ce sens qu'un bloc peut trs bien contenir la fin d'une trame LLC et le dbut d'une autre. RLC effectue videmment aussi la fonction inverse de constitution de trames LLC partir des blocs radio reus. La couche MAC multiplexe les flux de donnes en tenant compte de la priorit.

    Connexion au rseau

    Les aires de localisation (LA) du GSM sont utilises mais dcomposes en aires de routage (RA). Une aire de routage correspond un nombre donn de cellules. Une aire de routage ne correspond qu' un seul SGSN mais un SGSN peut contrler plusieurs RA.

    Une aire de localisation est dfinie sans ambigut par son identifiant LAI (Location Area Identity) qui est compos du MCC (identifiant du pays), du MNC (identifiant du rseau GSM) et du LAC (code

  • d'identification de LA).

    Une aire de routage est identifie par un code RAC qui joint LAI dfinit sans ambigut une RA.

    Une cellule est identifie par rapport une LA par un code de cellule CI (Cell Identity). LAI + CI identifie donc sans ambigut une cellule quelconque.

    Un mobile est en connexion avec le SGSN et lui transmet son P-TMSI (identit temporaire de mobile) que le SGSN lui a dj attribu. Si le mobile a chang d'aire de routage ou d'aire de localisation, le SGSN recherche l'information auprs d'autres SGSN. S'il ne trouve rien, il se fait communiquer l'IMSI (identit internationale de mobile commune GSM et GPRS). L'authentification termine, le SGSN localise le mobile auprs des HLR/VLR.

    Le schma ci-dessous prcise les tapes d'attachement et de dtachement d'un mobile :

    1 : le mobile effectue une demande d'attachement 2 : le SGSN accepte la demande et confirme l'attachement 3 : le SGSN refuse la demande et envoie un message de rejet 4 : le mobile demande une interruption de la session mais reste en veille 5 : le mobile demande une interruption dfinitive de la session (coupure d'alimentation) 6 : si la demande d'interruption est accepte, le SGSN confirme et le mobile passe dans l'tat

    inactif 7 : fin de session

    Le changement de cellule est diffrent dans le cas du GPRS par rapport au GSM. Dans ce dernier, ce n'est pas le mobile qui a l'initiative, dans le cas du GPRS, c'est le mobile qui signale le changement. Dans le cas d'un changement de cellule au sein d'une mme aire de localisation, le mobile envoie une trame LLC au SGSN contenant l'identit de la nouvelle cellule. Dans le cas d'un changement d'aire de routage, l'information relative la nouvelle aire de routage est ajoute au message vers le SGSN qui vrifie si le mode paquet est toujours valable ; ventuellement un nouveau P-TMSI est affect au mobile. Si le

  • mobile change d'aire de localisation, le message envoy par le mobile est transmis par le SGSN au GGSN, au VLR/HLR.

    Canaux et multiplexage

    L'infrastructure de GSM sert de base au rseau GPRS qui utilise des multitrames compose de 52 trames GSM. 48 de ces trames sont utilisables pour la transmission de donnes ; les 4 autres restent libres ; les trames utilisables forment des blocs de 4 trames ; les trames libres se situent aprs trois blocs. Une multitrame comporte donc au maximum 384 canaux physique GPRS appels PDCH (Packet Data Channel). Ces canaux peuvent tre multiplexs pour obtenir des dbits plus importants. Par ailleurs, la rpartition des canaux entre GSM et GPRS reste l'initiative des oprateurs.

    Comme pour le GSM, GPRS utilisent des IT pour constituer des canaux logiques. Un ou plusieurs canaux physiques PDCH sont rservs aux informations de signalisation relative au mode "paquet" ; on les appelle MPDCH (Master PDCH). Ils correspondent un seul canal logique PCCCH (Packet Common Control Channel).

    Les autres canaux physiques PDCH (appels canaux esclaves par rapport aux prcdents) servent de support deux types de canaux logiques :

    PDTCH (Packet Data Traffic Channel) qui servent nla transmission des donnes PACCH (Packet Associated Control Channel) qui transportent la signalisation associe aux donnes.

  • EDGE

    Si les informations deviennent volumineuses, le dbit du GPRS n'est plus suffisant et c'est au niveau de la couche physique que se situe l'volution vers de hauts dbits ce qui a donn naissance EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution).

    Dans le GSM, le codage s'effectue de manire simple : on utilise deux signaux qui correspondent soit un "0", soit un "1". Un signal radio transporte donc 1 bit (modulation GMSK : Gaussian Multiple Shift Keying).

    Dans EDGE, le codage utilise une modulation de phase permettant de transporter 3 bits par signal , la modulation 8PSK (8-Phase Shift Keying) :

    Le dbit est alors multipli par 3 par rapport au GPRS.

    Ce nouveau mode de codage a cependant des consquences onreuses. Tout d'abord, les terminaux mobiles doivent tre spcifiques ; ensuite, il faut effectuer des modifications logicielles et matrielles au niveau des BTS, des BSC et des composants du rseau coeur (SGSN, MSC, VLR).

    Bibliographie et Webographie

    Jean Cellmer, Du systme GSM au systme GPRS, Techniques de l'ingnieur, http://www.techniques-ingenieur.com

    Pierre Lescuyer, UMTS : les origines, l'architecture, la norme, Dunod

    http://www.techniques-ingenieur.com/http://www.techniques-ingenieur.com/

  • MorganDoyle Limited, GPRS Tutorial TechArena Community, Internet Access over GPRS, http://forums.techarena.in

    http://forums.techarena.in/

  • UMTS

    Prsentation Architecture du rseau UMTS

    CDMA Protocoles

    Couche physique Bibliographie et Webographie

    Prsentation

    L'UMTS ( Universal Mobile Telecommunication System) ne justifie pas sa qualification d'universelle, du moins en ce qui concerne ses dclinaisons car il existe 5 systmes se recommandant de ce vocable :

    UTRA/FDD ou IMT-DS (International Mobile Telecom - Direct Spread) UTRA/TDD ou IMT-TC (International Mobile Telecom - Time Code) DECT ou IMT-FT (International Mobile Telecom - Frequency Time) CDMA 2000 ou IMT-MC (International Mobile Telecom - Multi Carrier) UWC-136 ou IMT-SC (International Mobile Telecom - Single Carrier)

    Il existe d'ailleurs aussi des technologies concurrentes bien que l'UMTS soit issue des travaux de l'IMT (International Mobile Telecommunication) sous le couvet de l'ITU (International Telecommunication Union).

    Les services couvrir par la nouvelle norme concerne la plupart des transferts d'informations : parole, video-streaming, interactivit (Internet, jeux), messagerie, ... Ces applications possdent des contraintes diffrentes en ce qui concerne le dbit et la fiabilit. De plus il faut offrir une qualit de service dfinie en ce qui concerne les paramtres prcdents, mais aussi des niveaux de priorit. Concernant les paramtres QoS de dbit et de fiabilit, le tableau suivant indique les classes de service proposes :

    UMTS utilise deux techniques de multiplexage sur la voie radio : TDD (Time Division Duplex) et FDD (Frequency Division Duplex). La premire utilise un multiplexage temporel la manire de TDMA (une seule frquence est utilise alternativement par les deux voies montante et descendante) tandis que la seconde utilise un multiplexage frquentiel la manire de FDMA (2 frquences diffrentes pour la voie montante et la voie descendante). Les plages de frquences alloues sont plus leves que pour les rseaux de deuxime gnration :

  • Architecture du rseau UMTS

    Le rseau UMTS possde l'architecture classique suivante :

    Le terminal mobile (UE : User Equipment) est constitu d'un quipement ME (Mobile Equipment) et d'une carte puce USIM analogue la carte SIM. Le rseau d'accs est appel interface UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). Le rseau coeur CN (Core Network) permet la connexion aux rseaux classiques. L'architecture globale est donc similaire celle du rseau GSM ou GPRS.

    l'UTRAN comprend des stations de base (Node B) associes un contrleur RNC (Radio Network Controller). Un node B n'est associ qu' un contrleur unique. Un ensemble RNC et les node B correspondants est appel RNS (Radio Network Sub-System). On notera qu'un mobile peut tre en relation avec plusieurs nodes B (dans le cas du handover notamment).

    Le rseau coeur comprend 3 domaines : le domaine circuit assez analogue GSM, le domaine paquet assez analogue GPRS et un domaine commun.

  • CDMA

    Le rseau UMTS utilise un multiplexage appel CDMA (Code Division Multiple Access initialement appel IS-95 aux Etats Unis). Pour expliquer en quoi consiste cette forme de multiplexage, on peut imaginer une assemble de personnes en un mme lieu, les individus parlant chacun une langue diffrente. Il est clair que le rsultat est un brouhaha incomprhensible mais quelqu'un qui connat une langue peut comprendre une communication. Dans CDMA, les langues sont remplacs par des codages de l'information : tous les usagers utilisent la mme frquence mais il y a un code spcifique pour chaque usager.

    UMTS utilise une version de CDMA appele W-CDMA (ou CDMA large bande) permettant d'atteindre des dbits allant jusqu' 2 Mbits/s.

    L'information binaire transmettre est tout d'abord code en NRZ une frquence f. Le schma ci-dessous donne l'exemple du codage de deux messages (de deux usagers diffrents) o le "1" est cod +1 et o le "0" est cod -1 :

    Pour chaque usager, par tirage alatoire, on gnre un signal binaire une frquence F = nf (n = 5 sur le schma) ; chacun de ces signaux constitue un code affect chaque usager :

    Les messages des usagers sont alors cods par simple multiplication des signaux du message et des signaux du code :

    Cette

  • opration s'appelle talement de spectre pour la raison suivante. Pour le signal original de frquence f, le spectre obtenu par transformation de Fourier est assez resserr. Par contre pour les signaux de frquence F, le spectre est plus tal :

    La restitution du message original s'effectue de manire trs simple par multiplication du signal cod et du signal de code :

    Bien entendu, le rcepteur doit effectuer la multiplication avec des signaux dcals de (temps de propagation du signal entre l'metteur et le rcepteur), soit M'(t - ).C(t - ). Il faut videmment aussi dcaler le code pour retrouver le signal original. Si l'on appliquait le code n2 au signal cod par le code n1, on obtiendrait un rsultat non valable trs significatif :

    Bien entendu il se pourrait que deux codes conduisent un rsultat interprtable partir d'un mme message initial. Pour viter ce rsultat, il faut choisir les codes de manire particulire.

    On dfinit la corrlation de 2 codes C1 et C2, composs d'une suite N d'lments binaires, de la manire suivante :

    exemple : soit les codes C1 et C2 (N = 10) :

    On a R0(C1, C2) =0 ; R1(C1, C2) =0 ; R2(C1, C2) =-4 ; R3(C1, C2) =8 ; R4(C1, C2) =0 ; R5(C1, C2) =-4 ; R6(C1, C2) =0 ; R7(C1,

  • C2) =-4 ; R8(C1, C2) =4 ; R9(C1, C2) =0 ce qui se traduit par la fonction de corrlation :

    corrlation de C1 et C2

    On peut aussi considrer l'autocorrlation des codes C1 et C2 : R(C1,C1) et R(C2,C2) :

    Dans le systme CDMA, les codes doivent satisfaire aux conditions suivantes :

    l'autocorrlation d'un code doit tre faible ou ngative pour i 0 ; la corrlation entre deux codes doit tre faible ou ngative. Si elle est nulle, les codes sont dits orthogonaux.

    Il est clair que dans l'exemple montr, les codes ne satisfont pas ces conditions. Comment trouver les "bons" codes ? On commence par noter CN,m les codes o N dsigne le nombre de bits du code (N a la valeur maximale 256 pour les canaux montants et 512 pour les canaux descendants) et m le numro du code.

    Le plus simple est C1, 1 qui ne comporte qu'un lment bit : 1. Le suivant est C2,m (o m = 1, 2) avec C2,1 = 1 1 et C2,2 = 1 -1. Le troisime est C4,m (o m= 1,2, 3, 4) avec C4,1 = 1 1 1 1, C4,2 = 1 1 -1 -1, C4,3 = 1 -1 1 -1, C4,4 = 1 -1 -1 1

    et ainsi de suite ( 1 reprsente un "1" et -1 un "0"). On peut donner une reprsentation arborescente commode de ces codes :

    On peut vrifier que les codes de mme niveau hirarchique sont orthogonaux. Ces codes sont appels OVSF (Othogonal Variable Spreading Factor). Toutefois 2 codes situs sur le mme rameau (comme C4,1 et C2,1)

  • ne sont pas toujours orthogonaux ce qui conduit, lorsqu'on a fait un choix d'un code, liminer tous ses antcdents :

    Les codes ainsi constitus ne sont cependant pas alatoires et il faut effectuer un traitement spcial dit de "brouillage" pour obtenir les "bons "codes. Le rsultat s'appelle codes de brouillage (scrambling codes) que l'on ajoute aux codes OVSF. La mthode utilise un registre dcalage muni d'une fonction XOR et le principe est expos dans le schma ci-dessous :

    Le tableau ci contre indique le fonctionnement du dispositif

    Le dispositif fournit des codes de longueur 2n - 1 o n est le nombres de registres dcalage. Dans l'interface UTRAN de l'UMTS, le gnrateur est plus complexe que l'exemple pdagogique ci-dessus et comporte 25 registres dcalages (et plusieurs fonctions XOR) ; il peut donc fournir des codes 225 - 1 bits dont on retient seulement 38400 lments.

  • Il faut maintenant attribuer les codes aux canaux. Il y a une diffrence de mthodes entre les canaux montants (mobile -> rseau) et les canaux descendants (rseau -> mobile).

    Dans le sens descendant le rseau doit effectuer la synchronisation des codes afin de garantir leur orthogonalit (un dcalage mettrait le systme en difficult): tous les canaux sont donc synchroniss lorsqu'ils parviennent au mobile. Pour garantir l'indpendance entre les canaux de cellules diffrentes, on ajoute un code de brouillage propre chaque cellule :

    Par contre dans le sens montant, si mobile peut synchroniser des codes diffrents, il est difficile de synchroniser des codes provenant de mobiles diffrents. Le rseau alloue alors chaque mobile un code de brouillage diffrent.

    L'attribution des frquences aux cellules (planification des frquences) qui doit se faire en GSM n'a plus lieu ici du fait de l'utilisation des codes ; en revanche il faut effectuer une planification des codes : attribution chaque cellule d'un code de canal de synchronisation secondaire et d'un code de brouillage. Cependant ces codes sont suffisamment nombreux pour que le problme de la planification soit moins complexe que celui de GSM.

    Protocoles

    Les figures suivantes donnent l'architecture en couches pour le mode circuit et le mode paquet (plan usager seulement dans ce dernier cas).

  • On ne considrera ici que le mode paquet, le mode circuit tant assez similaire au GSM. Dans la traverse des couches au niveau UTRAN/Mobile, les donnes sont transformes comme suit :

  • Par ailleurs, le modle UMTS spare en deux "strates" les fonctions rseaux : l'access stratum regroupe les fonctions d'accs au rseau (il comprend l'UTRAN mais aussi une partie de l'quipement mobile et une partie du rseau couer) ; le non access stratum regroupe les fonctions indpendantes de l'accs, notamment l'tablissement d'appel (SM : Session Management) et la gestion de la mobilit (GMM : GPRS Mobility Management). D'autre part, les flux de donnes transitant par l'interface radio sont diviss en deux plans : le plan de contrle rserv la signalisation ( une partie est relative l'access stratum (tablissement de connexion avec RRC, rquisition et libration de ressources ; une autre partie est relative au non access stratum comme SM et GMM) et le plan usager relatif au transport des donnes (qui ne concerne que le non access stratum puisque les donnes transportes ne sont d'aucune utilit pour l'accs).

    Dans UMTS, la notion de canaux est assez diffrente de celle des autres systmes qui n'utilisent que les concepts de canaux physiques et de canaux logiques. Ici, il y a un concept intermdiaire : les canaux de transport.

    Les canaux physiques sont fournis, videmment, par la couche physique L1, les canaux de transport par la couche MAC et les canaux logiques par la couche RLC.

    canaux logiques : ils appartiennent deux catgories : les canaux logiques de contrle et les canaux logiques de trafic :

    BCCH (Broadcast Control Channel) : diffusion d'information de contrle PCCH (Paging Control Channel) : envoi de messages de paging (recherche d'un terminal) aux mobiles CCCH (Common Control Channel) : mission/rception de messages pour les mobiles non connects au rseau DCCH (Dedicated Control Channel) : mission/rception de messages pour les mobiles connects au rseau DTCH (Dedicated Traffic Channel) : change de donnes avec un mobile connect au rseau CTCH (Common Traffic Channel) : envoi de donnes un ensemble de mobiles

    canaux de transport : ils dfinissent la manire dont les informations sont transmises sur l'interface radio et correspondent donc la qualit de service requise. Ils se divisent en canaux ddis (affects un seul usager) et en canaux communs (partags par plusieurs usagers):

    DCH (Dedicated Channel) : canal ddi BCH ( Broadcast Channel) : canal de transport du rseau vers les mobile dbit constant PCH (Paging Channel) : canal de transport du rseau vers le mobile RACH (Random Access Channel) : canal de transport mobile -> rseau FACH (Forward Access Channel) : canal de transport rseau -> mobile DSCH (Downlink Shared Channel) : variante du FACH

    canaux physiques :

    P-CCPCH (Primary Common Control Physical Channel) S-CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel) PRACH (Physical Random Access Channel) PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) DPDCH (Dedicated Physical Data Channel)

    Le schma suivant donne la correspondance entre les diffrents types de canaux :

  • Couche physique

    Dans UTRAN, le signal est dcoup en trames de dure 10 ms. Une trame est dcoupe en 15 slots (ou intervalles de temps) numrots de 0 14.

    Une squence de code est dfinie par un dbit mesur en Mgachips par seconde (Mc/s), c'est dire en millions d'lments binaires transmis par seconde. En FDD, le dbit est de 3,84 Mc/s ce qui signifie qu'un slot correspond la transmission de 3,84x10-2/15 = 0,002560 Mc = 2560 chips.

    L'information numrique qui constitue un bloc de transport est dcoupe en segments placs dans des trames radio successives ce qui constitue un premier entrelacement de niveau bloc. Les slots de ces trames sont ensuite galement rpartis sur des trames radio ce qui constitue un second entrelacement de niveau trame :

    Les trames ainsi entrelaces sont codes avec NRZ, puis avec une conversion srie parallle, encodes avec le code OVSF puis de brouillage. Enfin, le rsultat est modul avec la technologie QPSK.

    Bibliographie et Webographie

    Jean Cellmer, Rseaux cellulaires, le systme UMTS, Techniques de l'ingnieur, http://www.techniques-ingenieur.com Pierre Lescuyer, UMTS : les origines, l'architecture, la norme, Dunod

    http://www.techniques-ingenieur.com/

  • Laurent Schumacher, Cellular Networks, INFO2231, http://enligne.info.fundp.ac.be

    http://enligne.info.fundp.ac.be/

    Disque localSommaireIntroductionGSMGPRSUMTS