Généralités sur les réseaux 3eme Génération (UMTS)

Après la perméabilité qu’a été fait dans le monde de télécommunication et l’internet, notre univers est devenu ouverte, donc on a besoin d’une vitesse plus grande pour un service très efficace, le téléphone avec les nouvelles générations donnera une satisfaction aux besoins de ses abonnées 

 Les réseaux de troisième génération doivent fournir des nouvelles avancées incluant l’itinérance mondiale, une large gamme de services à haut débit, des services audio-visuels et l’utilisation d’un seul terminal dans différents environnements radio. 

Le réseau d’accès radio de l’UMTS est une partie importante où les ressources sont chères. Il va alors utiliser les infrastructures déjà existantes et doit optimiser l’utilisation des ressources pour pouvoir transporter les nouveaux services à haut débit de l’UMTS tel que le transfert des données et les services multimédia. 

Ce chapitre propose une description sur ce type de réseau de télécommunications de point de vue principes de base et architecture.

1. Histoire des réseaux cellulaires :

Le téléphone a subi plusieurs étapes pour permettre à ses usages une bonne couverture dans le domaine téléphonique et informatique

Et Plusieurs générations marquent l’histoire des communications mobiles. Chaque génération successive, plus performante que les précédentes, repose sur une technologie dominante.

On distingue quatre générations de systèmes cellulaires 1G, 2G ,3G ,4G

🡪 Cette partie présente les différentes générations de la téléphonie mobile. Cela va permettre de mettre à plat les différences et ressemblances entre celles-ci : 

1910 : Ericsson et sa femme Hilda travaillent sur le premier téléphone pour voiture. [4]

 1912 : attribution des fréquences radios et des licences aux opérateurs téléphoniques [4]

 1940 : pendant la seconde guerre mondiale, l’armée américaine utilise pour la première fois dans signaux radio pour transmettre de données. [4]

• Années 70 (0G) :  

La génération zéro a bel et bien existé. Utilisés dans les années 70 s, les appareils 0 G étaient présents principalement dans les véhicules (on peut penser aux communications entre voitures de police). Des techniques plus abouties ont été dénommés sous l’appellation 0,5G [7]

  1971 : un groupe de chercheurs crée le premier réseau de communication radio basé sur la commutation de paquets, appelé ALOHA net.  C’est le tout premier réseau sans fil, constitué de 7 ordinateurs relié en étoile.

Années 80 (1G) : 

 Voix analogique ; technologie analogique qui utilise une bande de fréquences non enregistrée (902-928 MHz) ce qui cause des interférences avec toutes sortes de machines, et était constituée d’appareils relativement volumineux [4]

 AMPS en 1982, (Advanced Mobile Phone System) : lancé aux Etats-Unis, est un réseau analogique reposant sur la technologie FDMA (Frequency Division Multiple Access). Constitue le premier standard de réseau cellulaire. Possédait de faibles mécanismes de sécurité rendant possible le piratage de lignes téléphoniques. [9]

NMT (Nordic Mobile Telephone) a été essentiellement conçu dans les pays nordiques et utilisés dans d’autres parties de la planète.

Radiocom en 1982

Cette norme est basée sur une technologie de téléphonie analogique sans-fil. Sa technologie de modulation radio est similaire à celle utilisée par les stations radio FM

                  Tableau I.2 .1 : les avantages et les inconvénients de  (1G)

•  Années 90 (2G) :

La seconde génération de réseaux mobiles (notée 2G) a marqué une rupture avec la première génération de téléphones cellulaires grâce au passage de l’analogique vers le numérique ;

 Voix numérique et messagerie texte, transmission numérique pour augmenter la capacité, améliorer  la sécurité et offrir la messagerie texte (SMS).

• GSM en 1991

 Global System for Mobile communication (GSM) est la norme de téléphonie mobile de seconde génération développée à partir de 1990. Cette technologie représente la première technologie de téléphonie numérique sans fil.

 Le GSM fonctionne entre les fréquences 900 Mhz et 1800 Mhz. [9]

                  Tableau I.2 .2 : les avantages et les inconvénients de (2G)

GPRS en 2000 (2,5G ou 2G+) : dérivée du GSM permettant un débit de données plus élevé.

 L’objectif principal de cette évolution est d’accéder aux réseaux IP.
Le débit théorique est de l’ordre de 171,2 kbit/s, et le débit réel est de l’ordre de 30 kbit/s.

Le GPRS supporte différents niveaux de qualité de service (QoS). 
Quatre  parameters  définissent la qualité de service:

Classe de priorité

Classe de fiabilité

Classe de délai / retard

Classe de débit

Plusieurs nouveautés sont disponibles avec le GPRS :

Accès au Web

Messagerie électronique

Transfert de fichier

Commerce électronique

Services d’information

Malheureusement, le GPRS n’a pas été un succès auprès des consommateurs.

          Tableau I.2 .3 : les avantages et les inconvénients de GPRS

•  Années 2000 (3G) : 

         Voix et données numériques

services numériques de voix et de données à haut débit. 

 UMTS, W-CDMA en déploiement mondial

L’UMTS fonctionne sur la bande de fréquences 1900-2000 MHz et permet un débit réel de l’ordre de 384 kbits/s (8 fois plus rapide que le GPRS).[4]

                                  Tableau I.2 .4: les avantages et les inconvénients de (3G)

(3.5 G): SHDPA

    Dernière née des technologies mobiles, le High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) est développée depuis 2006. Elle propose des débits réels de l’ordre de 1.8 Mbits/s dans sa première version (presque 5 fois plus que l’UMTS). La prochaine version de l’HSDPA proposera des débits réels équivalents à 3.6 Mbits/s. Tout comme l’UMTS, l’HSDPA fonctionne sur la bande de fréquence 1900-2000 MHz.

                Tableau I.2 .5: les avantages et les inconvénients de (4G)

•  Années 2010 (4G) : Services haut-débits, LTE (Long Terme Evolution)

Tableau recapitulative:

                              Tableau I.2.6 Tableau récapitulative des générations 

I.3. UMTS : (L’Universal Mobile Télécommunications System) : 

 Est l’une des technologies de  téléphonie mobile de troisième génération (3G). Elle est basée sur la technologie W-CDMA, standardisée par le 3GPP et constitue l’implémentation dominante, d’origine européenne, des spécifications IMT-2000 de l’UIT pour les systèmes radio cellulaires 3G.

L’UMTS est parfois aussi appelé 3GSM, soulignant la filiation qui a été assurée entre l’UMTS et le standard GSM auquel il succède.

On l’appelle également et plus simplement 3G, pour troisième génération. [6]

• Architecture de L’UMTS :

L’architecture UMTS est constituée d’une partie radio appelée RNS (Radio Network

Subsystem) et d’une partie réseau de base appelée CN (Core Network) [14]

                                  Figure I.1 : Architecture globale du réseau UMTS

1. Le réseau d’accès  radio (UTRAN) :

Le réseau d’accès UTRAN est doté de plusieurs fonctionnalités. Sa fonction principale est de transférer les données générées par l’usager. Il est une passerelle entre l’équipement usager et le réseau cœur via les interfaces Uu et Iu. Cependant, il est chargé d’autres fonctions:

Sécurité : Il permet la confidentialité et la protection des informations échangées par l’interface radio en utilisant des algorithmes de chiffrement et d’intégrité.

Mobilité : Une estimation de la position géographique est possible à l’aide du réseau d’accès UTRAN.

Gestion des ressources radio : Le réseau d’accès est chargé d’allouer et de maintenir des ressources radio nécessaires à la communication.

Synchronisation : Il est aussi en charge du maintien de la base temps de référence des mobiles pour transmettre et recevoir des informations.

Le réseau d’accès UTRAN est composé de plusieurs éléments : une ou plusieurs stations de base (appelées NodeB), des contrôleurs radio RNC (Radio Network Controller) et des interfaces de communication entre les différents éléments du réseau UMTS. [14]

                    Figure I.2 : Architecture du réseau d’accès 

• Le Node B : 

Convertit  le flux de données entre les interfaces lub et Uu et participe à la gestion des ressources radio .notons que le terme « Node B » provient des spécifications du 3GPP et est équivalent au terme « station de base » que nous avons utilisés précédemment.

La principale fonction du Node B (Ou Station De Base) est de gérer la couche physique de l’interface air .il s’agit principalement du codage du canal, de l’entrelacement, de l’adaptation du débit et de l’étalement .le NodeB supporte également quelques fonctions de gestion des ressources radio comme le contrôle de puissance en boucle fermée .le Node B est l’équivalent de la BTS (Base Transmitter Station) en GSM.

Le terme de Node B a été adopté de façon temporaire au début du processus de normalisation puis il n’a jamais été remplacé. [14]

•  le RNC (radio Controller network) :

 Gère les ressources radio de la zone dont il a le contrôle, c’est –à- dire les ressources de la zone de couverture de tous les Node B auxquels il est rattaché .le RNC est le point d’accès pour tous les services fournis par l’UTRAN au réseau cœur.

                         Figure I.3 :   Serving RNC et Drift RNC

Le RNC qui contrôle un Node B, c’est-à-dire le RNC qui est connecté directement à ce Node B par interface Iub, est appelé CRNC (controlling RNC)  .Le CRNC est responsable du contrôle de charge et de contrôle de congestion des cellules des différents Node B aux quels il est connecté. Il est également en charge du contrôle d’admission et de l’allocation des codes pour les nouveaux liens radio qui s’établissent dans les cellules gérées.

Dans le cas ou une connexion entre un  mobile et l’UTRAN utilises les ressources de plusieurs RNS, les RNS impliqués dans cette connexion auront les rôles  logiques suivants :

SRNC (Serving RNC) : le SRNC et pour un mobile le RNC qui gère à la fois l’interface Iu avec le réseau cœur et la signalisation RANAP associée (RAN Application Part) .le SRNC gère également le protocole de signalisation RRC entre le terminal utilisateur et l’UTRAN .il est de plus en charge du traitement des données transmises sur l’interface air .au niveau de la couche 2.les opérations de base de gestion des ressources radio. Comme la mise en correspondance des paramètres des supports d’accès radio avec ceux des canaux  de transport de l’interface air .les décisions de handovers et le contrôle de puissance en boucle externe sont exécutées au niveau du SRNC. Le SRNC peut être, dans certains cas, le RNC de certain NodeB utilisée la connexion entre le terminal et l’UTRAN.

DRNC (Drift RNC) : le DRNC peut être n’importe quel RNC, à l’exception du SRNC, qui contrôle certaines cellules utilisées par le mobile. Si nécessaire,  le DRNC peut réaliser les fonctions de combinaison en macro diversité dans le sens montant ou à l’inverse dans le sens descendant, les fonctions de « splitting ». Notons que le DRNC ne gère pas le traitement des données du plan utilisateurs, au niveau de la couche 2 mais il route les données de façon transparente entre l’interface Iub et Iur. Sauf si le terminal utilisateur utilise un canal de transport commun ou partagé. A une connexion entre le terminal et l’UTRAN,  peuvent correspondre plusieurs DRNC mais dans certains cas, il n’y a pas de RNC qui joue ce rôle logique. Notons qu’un même équipement physique RNC supporte généralement les différentes fonctions logiques de CRNC, SRNC et DRNC. [14]

1. Principaux éléments du réseau cœur (CN) :

Le réseau cœur de l’UMTS est composé de trois parties dont deux domaines :

Le domaine CS (Circuit Switched) utilisé pour la téléphonie

Le domaine PS (Packet Switched) qui permet la commutation de paquets.

Les éléments communs aux domaines CS et PS

Ces deux domaines permettent aux équipements usagers de pouvoir gérer simultanément une communication paquets et circuits. Ces domaines peuvent être considérés comme des domaines de service.

 Ce type d’architecture permet de pouvoir créer ultérieurement d’autres domaines de service :
Ce schéma représente l’architecture du réseau cœur de l’UMTS :

Figure I.4 : Architecture du réseau cœur de l’UMTS

Eléments communs :

 Le HLR (home location register) : 

Est la base de données de référence qui gère l’ensemble des abonnés et leurs profils. les profils d’un abonné regroupent de nombreuses informations telles que son numéro  de téléphone, les services qu’il a le droit, d’utiliser, les informations relatives aux services supplémentaires tels que les renvois d’appel , les restrictions d’appel , etc. ce profils est crée lorsque l’abonné souscrit un abonnement et est stocké tant que son abonnement reste valide .afin de pouvoir router efficacement les appels entrants , le HLR stocke également des données de localisation de l’abonné en termes de zone MSC/VLR et/ou de zone SGSN , c’est-à-dire à un niveau que l’on pourrait qualifier de macroscopique.

•  L’AuC (Authentication Center) : 

Est en charge de l’authentification de l’abonné, ainsi que du chiffrement de la communication. Si une de ces deux fonctions n’est pas respectée, la communication est rejetée. Le  Auc se base sur le HLR afin de récupérer les informations relatives à l’usager et pour ainsi créer une clé d’identification.

•  L’EIR (Equipment Identity Register) :

 Est en charge de la gestion des vols des équipements usagers. Il est en possession d’une liste des mobiles blacklistés par un numéro unique propre à chaque équipement usager, le numéro IMEI (International Mobile station Equipment Identity).

•  Le domaine CS :
•  Le MSC/VLR (mobile switching centre /visitor location register) : 

correspond au commutateur (MSC) et  à la base de données (VLR) qui fournissent  des services circuits à un terminal utilisateur présent  dans leurs zone .le MSC permet la commutation des connexions circuit alors que le VLR contient une copie du profils de l’abonné et certaines informations plus précisés relatives à la localisation de l’abonné. il est courant d’appeler  « domaine circuit », la partie du réseau gérée par le MSC/VLR.

•  Le GMSC (Gateway MSC) :

Est un commutateur connecté directement aux réseaux externes en mode circuit .toutes les communications entrantes et sortantes, en mode circuit, passent nécessairement par un GMSC.

•  Le domaine PS :
•  Les SGSN (Serving GPRS Support NodeB) :

Possède des fonctionnalités similaires au MSC/VLR mais est utilisé pour les communications paquets. La partie du réseau gérée par le SGSN est couramment appelée « domaine paquet ».

•  Les fonctionnalités du GGSN (Gatway GPRS Support NodeB) :

 Sont très proches de celles du GMSC, mais le GGSN fait partie du domaine paquet et non circuit. Il ne traite donc que des connexions en mode paquet.

Quant aux réseaux externes, ils se scindent en deux catégories

Les réseaux circuits tels que le réseau téléphonique commuté public ou le réseau numérique à intégration de service 

Les réseaux paquets tels que le réseau internet et d’autres réseaux publics ou privés de transmission de données.  [14]

1.  Architecture en couches : 

L’interface radio de l’UTRAN est structurée en couches dont les protocoles se basent sur les 3 premières couches du modèle OSI (respectivement la couche physique, la couche liaison de données et la couche réseau). [2]     

                           Figure I.5 :   Vue en couches de l’interface radio UTRAN [2]  

Couche1:(la couche physique)
Cette couche PHY représente la couche physique de l’interface radio qui réalise les fonctions de codage, décodage, modulation et d’entrelacement via W-CDMA

 Couche 2 : (la couche liaison de données) 

Cette couche est divisée en plusieurs sous couches :
 

La sous-couche MAC : (Medium Access Control) a pour rôle de multiplexer les données sur les canaux de transport radio.

La sous-couche RLC (Radio Link Control) permet la fiabilité du transport des données entre deux équipements du réseau.

 La sous-couche PDCP :

 (Packet Data Convergence Protocol) permet de compresser les données via des algorithmes de compression. Cela permet d’exploiter plus efficacement les ressources radio. PDCP compresse les en-têtes des paquets TCP/IP suivant les RFC 1144 et 2507. De plus, cette sous-couche PDCP a aussi pour rôle de rendre indépendant les protocoles radio du réseau d’accès UTRAN (sous-couches MAC et RLC) par rapport aux couches de transport réseau. Ce type d’architecture permettra l’évolution future des protocoles réseaux sans modifier les protocoles radio de l’UTRAN.

 – La sous-couche BMC : (Broadcast/Multicast Control) est en charge d’assurer les fonctions de diffusion de messages sur l’interface radio.

 Couche3:(la couche réseau)
Cette couche RRC (Radio Resource Control) gère la connexion de signalisation établie entre le réseau d’accès UTRAN et l’équipement usager, utilisée lors de l’établissement ou de la libération de la communication.

1. Technique d’accès de l’UMTS :

L’interface radio de l’UMTS se base sur le W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access). Cependant, le W-CDMA se base sur une technique plus ancienne qui est le CDMA (Code Division Multiple Access).

1.  WCDMA :

WCDMA – qui est une abréviation pour l’accès à large bande multiple par répartition en code ou Wideband CDMA est une norme de téléphonie mobile qui combine la technologie CDMA et GSM pour créer un système entièrement nouveau. Il est l’un des attributs les plus importants quand il s’agit du réseau de communication mobile de troisième génération, Même si le terme WCDMA est souvent interchangeable avec l’UMTS, qu’il est techniquement incorrect car WCDMA est juste un exemple de l’UMTS.

Le WCDMA est une Évolution de la technique CDMA ; W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access Evaluation, Multiplexage par code large bande) est une technique utilisée pour la téléphonie mobile de troisième génération.

•  Les avantages : [3]              

Efficacité spectrale

Compatibilité avec les systèmes 2G et possibilité d’intégrer de nouvelles technologies[]

Sécurité de la transmission : le signal codé est détectable comme étant du bruit.

Handover

Meilleure performance pour détecter les trajets multiples[ ]

Gestion du plan de fréquences

Concentration de trafic

•  Principe de l’étalement de spectre :

Le W-CDMA réalise un étalement de spectre selon la méthode de répartition par séquence directe (Direct Séquence). Pour cela, chaque bit de l’utilisateur à transmettre est multiplié (OU exclusif) par un code pseudo aléatoire PN (Pseudo random Noise code) propre à cet utilisateur. La séquence du code (constituée de N éléments appelés « chips ») est unique pour cet utilisateur, et constitue la clé de codage. Cette dernière est conservée si le symbole de donnée est égal à 1, sinon elle est inversée. La longueur L du code est appelée facteur d’étalement SF (Spreading Factor).
Si chacun des symboles a une durée Tb, on a 1 chip toutes les Tb/N secondes. L’usager et utilisera donc une bande de fréquences N fois plus étendue.

Afin de comprendre les concepts du W-CDMA, il est important de comprendre la technique du CDMA.

•  CDMA : 

Le CDMA (Code Division Multiple Access) est utilisé dans de nombreux systèmes de communication. Il permet d’avoir plusieurs utilisateurs sur une même onde porteuse. Les transmissions sont numérisées, dites à étalement de spectre.

 L’étalement du spectre rend le signal moins sensible aux fluctuations sélectives en fréquence. Le signal est ainsi transmis sur une bande de fréquences beaucoup plus large que la bande de fréquences nécessaire.

Il existe trois méthodes d’accès de base :

 Le FDMA (Frequency Division Multiple Access) : accès multiple par répartition de fréquences.

 Le TDMA (Time Division Multiple Access) : accès multiple par répartition dans le temps.

 Le CDMA (Code Division Multiple Access) : accès multiple par répartition de codes.

Utilisé dans les réseaux mobiles de première génération (1G), le FDMA permet d’allouer à chaque utilisateur un canal avec une bande de fréquences unique.

 Dans ce cas, un seul utilisateur peut se servir de ce canal pendant la durée d’une communication.

L’introduction du TDMA a permis non seulement le passage vers une transmission

Numérique qui donna lieu à une deuxième génération de réseaux mobiles (2G), mais aussi la capacité du réseau à desservir un plus grand nombre d’utilisateurs

 Avec cette technique, chaque canal radio est subdivisé en plusieurs intervalles  de temps ou slot et chaque utilisateur se voit attribuer un slot de temps donné.

Dans le cas du CDMA, la bande de fréquences n’est pas subdivisée, alors que tous

Les utilisateurs se partagent la totalité de la bande disponible. Chaque utilisateur se voit attribuer un code connu exclusivement de l’émetteur et du récepteur.

Le CDMA est particulièrement privilégié pour être à la base des méthodes d’accè des futurs réseaux mobiles, car il permet d’augmenter non seulement le nombre d’utilisateurs, mais aussi le débit des données sur le lien radio. Ainsi, à la fin des années 90, une évolution du CDMA :

Le WCDMA (Wideband CDMA), a été lancée, promettant des débits suffisamment élevés :

En théorie, pour supporter des services riches en multimédia.

En pratique, ce standard n’offrait pas encore le débit requis par des services à valeur ajoutée, c’est la raison pour laquelle une autre évolution du nom de HSDPA (High Speed Downlink PacketAccess) a été proposée. [3]

1.  Technique HSDPA :

Les performances de la 3G, dont certains craignent qu’elles soient insuffisantes,

Doivent  être améliorées par la technologie HSPDA (High-Speed Downlink Packet Access). C’est un service de transmission de données en downlink (lien descendant), qui utilise        W-CDMA, et doit permettre des débits de 10, voire 20 Mbps.

Cette dernière technologie permet d’augmenter le débit du lien descendant, jusqu’à un maximum de 14 Mbps, en utilisant les propriétés suivantes :

• AMC, (Adaptative Modulation and Coding): qui consiste à adapter le débit selon la qualité de la transmission du lien radio ;

Apporte une capacité beaucoup plus élevée pour les systèmes radio à transmission de paquets.

• FCSS (Fast Cell Site Selection): permet à l’utilisateur de choisir le Node B ayant les meilleures caractéristiques pour une transmission de données. L’avantage de cette technique est qu’elle permet à l’utilisateur d’obtenir un débit plus élevé

• HARQ, (Hybrid Automatic Request) : qui représente un mécanisme de retransmission rapide de données erronées.

Augmente l’efficience spectrale par rapport au procédé WCDMA existant, le débit peut atteindre des valeurs jusqu’à 5,76 Mbit/s en réduisant la redondance au niveau de la correction d’erreurs.

Le HARQ (pour Hybrid Automatic Repeat reQuest) est un mécanisme qui permet de limiter et corriger les erreurs de transmission grâce à la redondance de la couche physique et à la retransmission de la couche liaison de données. L’émetteur envoie un bloc d’informations et attend une acceptation ou un refus du récepteur. Afin d’obtenir une acceptation rapide, un processus de différentes demandes est lancé en parallèle. En cas de demande de retransmission, suite à des données reçues incorrectes, les informations sont combinées entre l’original et la nouvelle transmission pour obtenir le message entier [5]               

1.  Les services dans le 3G :

• La troisième génération (3G) : désigne une génération de normes de téléphonie mobile. Elle est représentée principalement par les normes Universel et CDMA2000, permettant des débits (de 2 à 42 Mb/s définis par la dernière génération des réseaux UMTS : l’HSPA+ DC) qui sont bien plus rapides qu’avec la génération précédente, par exemple le GSM.
• Les premières applications grand public de la 3G sont l’accès à Internet, le visionnage de vidéos, voire d’émissions de télévision et la visiophonie  
•  Avec la 3G+, le téléchargement d’un fichier de 1Mo s’effectue en seulement quelques secondes. [2]

                                 Figure I.6 :   besoins en débit des services de l’UMT

• Le schéma ci-après présente les différents services que propose l’UMTS. Sur l’axe des ordonnées se trouve le débit demandé pour le service en question. Chacun des services est regroupé par leur type de connexion (bidirectionnel, unidirectionnel, diffusion point/multipoint).
•  L’UMTS propose 4 classes de qualité de services selon les applications :
•  La classe Conversationnel : qui permet aux conversations vocales de proposer une bande passante contrôlée avec échange interactif en temps réel avec un minimum de délai entre les paquets.
•    La classe Streaming : qui permet aux services de streaming de fournir une bande passante continue et contrôlée afin de pouvoir transférer la vidéo et l’audio dans les meilleures conditions.
•  La classe Interactive : destinée à des échanges entre l’équipement usager et le réseau comme la navigation Internet qui engendre une requête et une réponse par le serveur distant.
•  La classe Background : qui affiche la plus faible priorité, permet des transferts de type traitements par lots qui ne demandent pas de temps réel et un minimum d’interactivité (envoi et réception de messages électroniques). [8 ]                           

1.  Conclusion :

Dans ce chapitre nous avons présenté une vue globale sur le réseau UMTS. Nous avons aussi présenté les différentes techniques d’accès multiple (FDMA, TDMA) et particulièrement la technique WCDMA. Nous terminerons par présenter l’évolution imminente de cette génération de téléphonie mobile avec le HSDPA et les différents services de la 3G.

Dans le chapitre suivant, nous proposerons une méthodologie de dimensionnement et de planification d’un réseau UMTS et nous effectuerons des prédictions et des simulations afin d’optimiser nos résultats.

Version numérique: