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UMTS


par Omar HASNAOUI
Université Djillali LIABES - Ingeniorat 2006
Dans la categorie: Informatique et Télécommunications
   
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Disponible en mode multipage

République Algérienne Démocratique et Populaire

Ministère de l'enseignement supérieur
et de la recherche scientifique

Université Djilali Liabes

Faculté des sciences de l'ingénieur
Département d'informatique

Mémoire de fin d'étude pour l'obtention du diplôme
d'ingénieur d'état en informatique

Présenté par :

Mr HASNAOUI Omar El-hak

Encadré par :

Mr GAFFOUR Abdelkader

2005 - 2006

Dédicaces

Louange à Dieu le tout puissant, je dédie mon fruit de travail

aux deux êtres les plus chers dans ma vie, pour tout ce qu'ils

ont fait pour que je pusse réussir, à mon très cher Père et ma

très chère mère qui m'ont toujours encouragé pendant toute la

durée de mes études.

-A mes chers frères.

-A mes chères soeurs.

- A toute ma famille.

A tous mes camarades de la promotion 2005-2006.

A tout mes amis notamment Hanae, Kerroum, Salim

Nesrine et Noreddine.

Sans oublier mes chers amis d'enfance.

HASNAOUI Omar

Remerciements

Je tiens à remercier tout particulièrement mon encadreur

Mr GAFFOUR Abdelkader

De m'avoir fait l'honneur d'assurer le suivi de mon travail

jusqu'à son achèvement.

Je désire exprimer mes profondes gratitudes et remerciements à

- Mr LEHIRECH Ahmed

- Mr BLAHAAhmed

- Mr SAYED Salim

Mes remerciements vont également à Mrs les membres du jury

qui m'ont honoré et ont bien accepté d'examiner mon travail et

à tous les enseignants qui ont contribué à ma formation.

Je tiens à remercier également tout mes amis, qui étaient à

mes cotés aux lieux fraternels et amicaux qui ont germé dans

mon esprit ...

HASNAOUI Omar

Introduction générale 8

Historique 9

Chapitre I Evolution des télécommunications mobiles

I.1 La création du téléphone mobile 15

I.2 L'évolution des réseaux: de la « correspondance publique» au GSM. 16

I.3 Perspectives d'évolution technologique

..23

I.4 Le réseau mobile

.30

I.5 Généralités sur les antennes

32

I.6 Les télécommunications par satellite

34

I.7 Conclusion

..36

Chapitre II Le réseau GSM

II.1 Introduction

38

II.2 Présentation générale du réseau GSM

38

II.3 Architecture du réseau GSM

...39

II.3.1 Station mobile MS

41

II.3.2 Le sous-système radio BSS

41

II.3.3 Le sous-système réseau (NSS)

42

II.3.3.1 Commutateur de service mobile (MSC) .....

42

II.3.3.2 Commutateur d'entrée de service mobile (GMS)

42

II.3.3.3 Registre des abonnés locaux (HLR)

42

II.3.3.4 Registre des abonnés visiteurs (VLR)

.43

II.3.3.5 Centre d'authenticité (AuC)

43

II.3.3.6 Registre d'identification d'équipement (EIR)

43

II.3.3.7 Unité de transfert GSM (GIWU)

43

II.3.4 Sous-système opération (OSS)

.44

II.4 Fonctions d'un système GSM

44

II.4.1 Transmission

.45

II.4.2 Gestion des ressources radio (RR)

45

II.4.2.1 Transfert de communication intercellulaire

.46

II.4.3 Gestion de la mobilité (MM)

47

II.4.3.1 Gestion de la localisation

48

II.4.3.2 Authenticité et sécurité

48

II.4.4 Gestion des communications (CM)

..49

II.4.4.1 Contrôles des appels (CC)

49

II.4.5 Opération, administration et entretien (OAM)

50

II.5 Interface radio

51

II.5.1 Allocation des fréquences

51

II.5.2 Trame TDMA

...53

II.6 Système cellulaire

.55

II.7 Interfaces du réseau

.57

II.8 Architecture des protocoles dans le réseau GSM ....59

II.8.1 Les protocoles pour gestion de la signalisation 59

II.8.1.1 Le MTP ...59

II.8.1.2 Le SS7 .61

II.8.1.3 Présentation générale du protocole MAP 62

II.9 Les Canaux 62

II.10 L'implantation du GPRS sur le réseau GSM existant 64

II.10.1 Les appels en mode paquet 66

II.10.2 Scénario d'évolution 67

II.11 Conclusion 68

Chapitre III Le réseau UMTS

III.1 Introduction 71

III.2 Présentation générale du réseau UMTS 71

III.2.1 Objectifs 72

III.2.2 Caractéristiques 74

III.3 Architecture de l'UMTS

III.4 Découpage en strates

III.4.1 As (Access STRATUM) et NAS (Non Access Stratum) III.4.2 Les liens entre AS et NAS

75

79

79

...81

III.5 La structure en couches du réseau

82

III.6 Les Protocoles de l'interface radio

.84

III.7 Les canaux - vue globale

.86

III.7.1 Canaux logiques

..86

III.7.2 Canaux de transport

86

III.7.3 Canaux physiques

87

III.8 DESCRIPTION DE L'UTRA

88

III.8.1 Mode FDD

89

III.8.2 Mode TDD

90

III.8.3 Comparaison entre le mode FDD et le mode TDD

91

III.9 Le Handover

.92

III.10 Planification du réseau radio

96

III.10.1 Objectifs de la planification de réseau radio

96

III.10.2 Dimensionnement

..97

III.11 Conclusion

.99

Chapitre IV Simulations et Implémentations

 

IV.1 Présentation générale

. 101

IV.2 Une modélisation orientée objet

....101

IV.2.1 Objet réseau

101

IV.2.2 Objet noeud

.102

IV.2.3 Objet processus 104

IV.3 Résumé et principe de développement d'un projet .105

IV.4 Le réseau UMTS modélisé sous Opnet . 105

IV.5 Modèles des Noeuds 106

IV.6 Architecture du réseau UMTS 107

IV.6. 1 Le terminal utilisateur 108

IV.6.2 Le Node B . 110

IV.6.3 Le RNC ........111

IV.6.4 Le réseau coeur (CN) . 112

IV.7 Résultat de simulation ....114

IV.8 Conclusion .....120

Chapitre V Conclusion

V.1 Conclusion 122

V.2 Bibliographie 123

V.3 Abréviation 124

V.4 Index d'image 127

INTRODUCTION

Après la première génération de téléphones mobiles, caractérisée par une modulation analogique (systèmes Radiocom 2000), la seconde, caractérisée par une modulation numérique et une normalisation internationale mais régionale.

Durant ces dernières années, les services de télécommunication mobiles ont connu un développement sans précédent, rendu possible par l'existence de technologies numériques tel que le GSM, qui a entériné le choix de la transmission numérique avec le multiplexage temporel à bande moyenne.

En utilisant la commutation de paquets et en augmentant le débit offert par le réseau GSM; le service GPRS réalise une évolution majeure vers la troisième génération de réseau mobile (UMTS).

Le système UMTS est une évolution du GSM et du GPRS.

Ce dernier fait partie de la famille IMT 2000. Il introduit les services multimédia à tout instant et en tout lieu, ainsi qu'une connexion haut débit à Internet; les débits binaires varient entre 0 et 144kbits/s, suivant la mobilité.

Pour cela mon travail consiste à étudier de prés le système de deuxième génération et en particulier le réseau UMTS de troisième génération.

De la, le mémoire est organisé comme suit:

Le chapitre I : Présente une évolution de la télécommunication mobile. Le chapitre II: Décrit le réseau GSM.

Le chapitre III: Décrit le réseau UMTS.

Le chapitre IV: La simulation d'un réseau cellulaire UMTS.

Historique

 

Etapes d'introduction

Les ondes électromagnétiques ont été utilisées comme moyen de communication pour la première fois à la fin du 19ème siècle. Le premier système sans fil a été inventé par la compagnie Bell Systems dans les années 1940 aux Etats-Unis puis il a apparu en Europe dans les années 1950.

Les cellulaires étaient très contraignants par leur mobilité restreinte, leur faible capacité, leurs services limités et leur qualité d'écoute très faible. Ils étaient également très lourds, très gros, très chers et très sensibles aux interférences. Pour toutes ces raisons on ne comptait donc que moins d'un million d'abonnés dans les années 1980.

. Première génération: Cellulaire Analogique

C'est à la fin des années 1970 et début des années 1980 que les communications mobiles ont fait un bond en avant (surtout au niveau de la mobilité et de la capacité).

Les évolutions des technologies des semi-conducteurs et microprocesseurs ont permis la conception de mobiles plus petits, plus légers, plus sophistiqués et surtout accessibles pour un plus grand nombre d'utilisateurs.

Ces cellulaires de première génération ne transmettent la voix que de façon analogique. Les plus importants systèmes sont AMPS, NMT, et TACS.

Avec l'introduction de la première génération de mobiles sur le marché, la vente annuelle a augmenté de 30 à 50%, atteignant ainsi les 20 millions d'utilisateurs en 1990.

Mais ce système avait des handicaps. Le premier handicap était le nombre de communications simultanées dans une même cellule qui était faible. Ceci conduira les opérateurs à rester impuissants devant la saturation de leurs réseaux.

Le second handicap vient du fait que chaque pays édicte souverainement sa norme, si bien que les systèmes de radiocommunications sont incompatibles d'un pays à l'autre.

. Deuxième Génération : Systèmes Digitaux Multiples

Le développement des cellulaires de seconde génération fut dirigé par le besoin d'améliorer la qualité de transmission, les capacités du système ainsi que la couverture du réseau. Les technologies des semi-conducteurs et des dispositifs à micro-ondes ont permis l'utilisation de la transmission digitale au sein des télécommunications mobiles.

Ce sont toujours les transmissions de la voix qui dominent mais les demandes pour les fax, messages courts et transmissions de données ont augmenté rapidement.

Des services supplémentaires ont apparu tels que la prévention de fraude et le cryptage des données personnelles. Ces derniers sont devenus comparables aux services disponibles sur les réseaux fixes.

Les cellulaires de seconde génération inclus GSM, D-AMPS, et PDC.

Aujourd'hui de nombreux standards liés aux 1G et 2G sont apparus et sont utilisés dans le monde entier. Chaque standard à son propre niveau de mobilité, de capacité et de service. Certains standards ne sont utilisés que dans un pays ou région et sont pour la plupart incompatibles entre eux.

GSM est la famille de standards la plus efficace (GSM900, GSM-railway [GSM- R], GSM1800, et GSM1900) qui ne supporte pas moins de 250 millions des 450 millions de cellulaires présents dans le monde sur environ 140 pays et 400 réseaux.


· Troisième Génération: IMT 2000

Après la première génération de téléphones mobiles, caractérisée par une modulation analogique (systèmes Radiocom 2000 et Ligne SFR), et la seconde, caractérisée par une modulation numérique et une normalisation internationale mais régionale, les instances de normalisation se sont ensuite tournées vers un système unique de troisième génération de téléphonie mobile : l'International Mobile Télécommunications IMT 2000. 2000 en référence à la bande de fréquences utilisée pour le système (autour de 2000 MHz) et à l'année prévue initialement pour sa commercialisation (en réalité, la sortie commerciale des produits proposés est prévue pour 2003 au Japon et 2004 en Europe).

L'idée fondatrice du système troisième génération est d'intégrer tous les réseaux de deuxième génération du monde entier en un seul réseau et de lui adjoindre des capacités multimédia (haut débit pour les données).

Le principe du système est souvent résumé dans la formule anyone, anywhere, anytime, signifiant que chacun doit pouvoir joindre ou être joint n'importe où et n'importe quand. Le système doit donc permettre l'acheminement des communications indépendamment de la localisation de l'abonné, que celui-ci se trouve chez lui, au bureau, en avion...

Le choix de la technologie troisième génération prendra en considération des facteurs techniques, politiques et commerciaux.

Les facteurs techniques concernent la fourniture des débits demandés et la performance du réseau. Politiquement, les différents organismes de normalisation doivent parvenir à un accord et prendre en compte les spécificités régionales. Enfin, les investissements engagés par les opérateurs dans les systèmes existants laisseraient à penser qu'il faut choisir un système 3G compatible avec les réseaux 2G, tandis que bien sûr les constructeurs pencheraient plutôt pour un nouveau système qui leur ouvrirait de belles opportunités commerciales.

 

Les principales caractéristiques à respecter sont

· l'assurance en mobilité d'un débit de 144 Kbits/s (de préférence 384 Kbits/s) partout où le service est assuré ;

· l'assurance dans certaines zones (de mobilité limitée) d'un débit de 2 Mbits/s ;

· une haute efficacité spectrale par rapport aux systèmes 2G ;

· une haute flexibilité pour permettre aisément l'introduction de nouveaux services.

Les débits ont été spécifiés à partir des débits proposés par le RNIS :

-144 Kbits/s qui correspond à l'accès de base destiné au grand public pour le RNIS : 2 canaux B d'usager à 64 Kbits/s + 1 canal D de signalisation à 16 Kbits/s;

-384 et 1920 Kbits/s qui correspondent à l'accès aux canaux RNIS de type H0 et H12.

Les bandes de fréquences allouées pour l'IMT 2000 sont 1885-2025 MHz et 2110-2200 MHz.

 

Les collaborations internationales

Des groupes de travail se sont constitués pour travailler à la normalisation de ce système 3G.

En Europe, au sein de l'ETSI, la standardisation d'un système 3G nommé UMTS a commencé en 1990 avec la création de comités techniques SMG.

Ces comités techniques sont composés de représentants des constructeurs déjà impliqués dans les réseaux GSM (Nokia, NMC, Ericsson, Alcatel, Mitsubishi, Sagem...) et des opérateurs européens de téléphonie mobile.

CHAPITRE I

E VOL UTION

DES

TELECOMMUNICA TIONS

MOBILES

I. L'histoire du téléphone portable

I.1 La création du téléphone mobile

Contrairement au téléphone filaire, son aîné, on ne peut pas conférer au téléphone mobile le statut d'invention. En effet, même si la paternité est généralement attribuée à Motorola, il s'agit plus de l'association de plusieurs techniques que d'une réelle invention.

Depuis longtemps, les communications vocales par ondes radioélectriques étaient possibles grâce aux découvertes de Maxwell, aux techniques de Marconi, et à l'invention du tube électronique par Lee de Forest. Cependant, l'une des différences majeures par rapport au téléphone était le mode de fonctionnement : chaque interlocuteur devait attendre son tour pour parler (fonctionnement type talkie walkie). Ce mode, appelé alternat, rendait les communications austères. Il fallut attendre l'arrivée d'un composant spécial, un filtre dit duplexeur pour rendre possible l'émission et la réception simultanée dans une bande de fréquence identique. Dès lors, il était possible de concevoir des équipements "transportables", libérant ainsi le téléphone sans fil historique.

Cependant, deux problèmes restèrent insolubles jusqu'à assez récemment. L'énergie nécessaire pour émettre était importante, et donc rendait illusoire d'imaginer loger une batterie de véhicule et l'antenne dans une mallette... Ces raisons ont contraint le téléphone mobile à trouver refuge dans les véhicules, seuls capables d'héberger le système radio, de fournir l'énergie et la base de l'imposante antenne "fouet". Le téléphone de voiture était né...

 

Le téléphone de voiture en France

Le premier réseau commercial en France voit le jour en 1956. Il s'agit d'un réseau manuel, nécessitant l'intervention d'une opératrice. Le téléphone est très dépouillé : un combiné de type U43 repose sur une base, laquelle comprend un interrupteur de mise en service, et deux voyants, un vert, et un rouge. Le réseau fonctionne dans la bande des 150 Mhz sur une fréquence unique. Lorsqu'un abonné "prend la ligne", tous les autres postes voient leur voyant rouge s'allumer: passer un appel est alors impossible.

L'abonné ayant pris la ligne demande le numéro de son correspondant à l'opératrice, laquelle s'occupe d'appeler le destinataire, et de mettre en relation les deux interlocuteurs. A la fin de l'appel, le raccroché libère le canal radio, et tous les abonnés au service voient le voyant vert s'allumer : il est alors possible de passer un appel.

Le prix, la complexité, la limite de portée réservent ce service à un très petit nombre : lorsque le service manuel est arrêté en 1973, il compte 500 abonnés...

I.2 L'évolution des réseaux: de la « correspondance publique » au GSM

Pour remplacer le premier réseau manuel, un second système est développé. Il utilise la même bande de fréquence, mais les capacités augmentent : il est désormais possible à plusieurs utilisateurs de converser en même temps, grâce à l'adoption d'un système de gestion de plusieurs canaux simultanés. De même, le réseau devient automatique.

Les appareils utilisés sont dérivés d'une radio de type professionnelle, le copilote de
Thomson CSF, (figure I.1). Même si les platines radios sont identiques, on leur

associe une carte de gestion à microprocesseur 4 bits, ainsi qu'une série de quartz (deux par fréquence), permettant de changer le canal de transmission.

Figure (I.1): Thomson CSF, 1973.

Dans les années 80, la France accuse un retard important dans les technologies de téléphonie mobile. Le seul réseau en place ne permet qu'un nombre limité d'utilisateurs, il est uniquement disponible dans les grandes améliorations, et ne permet en aucun cas une intégration dans un volume portable. Pour ces raisons, le ministère des télécommunications décide de lancer le programme Radiocom 2000. Le réseau "Correspondance Publique" fonctionnera jusqu'à la fin des années 80,

C'est à dire jusqu'au déploiement complet du Radiocom 2000, (figure I.2). Les abonnés reçoivent alors une proposition personnalisée de changement de système.

 

Le Radiocom 2000

Figure (I.2) : Radiocom 2000, 1987.

Lancé en 1986, il s'agit d'un réseau fonctionnant dans la bande des 400 Mhz, utilisant la technologie numérique pour la signalisation (gestion des appels, des connexions). La modulation est cependant standard (analogique pour la voix). Les fréquences sont attribuées dynamiquement en fonction des besoins.

Contrairement au réseau précédent, le Radiocom utilise un synthétiseur de fréquence, supprimant ainsi les nombreux quartzs tout en augmentant le nombre de canaux utilisables, l'autre grande nouveauté est la notion de téléphone cellulaire : les fréquences sont attribuées au sein d'une "cellule", c'est à dire une zone géographique délimitée par la portée de l'émission radio.

Lorsqu'un mobile sort de la zone de couverture radio, il peut "s'inscrire" sur la zone de couverture adjacente. Alors que lors de son lancement la communication était perdue lorsque le mobile sortait de la cellule d'inscription précédente l'appel, l'ajout de la fonction de "hand over" permet de continuer la communication en changeant de zone de couverture. Cette dernière évolution technique a coûté le rapatriement de tous les mobiles pour mettre à jour le logiciel de gestion du mobile. Enfin, ce réseau a pour vocation de couvrir la totalité du territoire français, y compris les zones à faible population.

Toutes ces évolutions techniques permettent de créer assez rapidement le premier téléphone portable, c'est à dire libérer de la voiture : Le Poctel, (figure I.3).

Figure (1.3) : Poctel 1989, et GSM 2001

Dès ses débuts, ce téléphone est un objet de luxe. D'abord par le coût de l'abonnement, mais aussi pour son prix d'acquisition (25 000 Fr en 1991). L'énergie est assurée par une batterie rechargeable de type Nickel Cadmium, et l'antenne est raccourcie au minimum possible. L'objet remporte un grand succès en regard de son prix.

Le réseau NMT- F

En 1989, l'état français décide de déréguler le marché des télécommunications mobiles. Un appel d'offre est lancé pour compléter le Radiocom. La société SFR répond à cet appel d'offre avec un réseau basé sur le standard NMT.

Il sera adapté au marché français, d'où son nom, le NMT-F. Le fonctionnement est très similaire au Radiocom 2000 (modulation analogique pour la voix, et signalisation numérique, bande de fréquence en 400 Mhz).

Les terminaux mobiles sont très proches des versions Radiocom. Extérieurement, la seule différence visible sera la couleur adoptée pour chaque terminal.

 

De l'analogique au numérique : le GSM

En 1982, un consortium d'opérateurs européens décide de lancer les études d'un système de télécommunication mobile universel. Le Groupe Spécial Mobile, ou GSM, voit officiellement le jour en 1987, date à laquelle ses spécifications sont adoptées.

Le cahier des charges précise que ce système devra être compatible quel que soit le pays, les terminaux étant reconnus à l'aide d'une carte d'identification (la carte SIM pour Subscriber Identification Module).

Le mode de transmission adopté est très novateur : entièrement numérique pour la voix et la signalisation, mode TDMA (Time Division Multiple Access), compression des données vocales, large utilisation, fax, ou messages courts de 160 caractères (SMS).

Toutes ces évolutions font de ce système un véritable défi lancé aux centres de recherches. Comment intégrer toutes ces technologies dans un volume aussi réduit qu'un paquet de cigarettes ?

Ces évolutions n'ont plus aucun réglage par potentiomètre, aidant ainsi à la fiabilité de l'ensemble. La bande de fréquence à 900 Mhz est également nouvelle dans le monde civil. Les premiers terminaux sont encore des versions "téléphone de voiture", en forme de petite mallette. Ils seront très rapidement remplacés par des versions portables.

Le service commercial GSM démarre en 1991 dans les grandes agglomérations françaises. Une tentative avortée: le Bi Bop, (figure I.4).Alors que le réseau GSM poursuit sa croissance, lentement mais sûrement, un réseau alternatif est proposé en 1993, le Poctel, (figure I.3).

Ce réseau, contrairement au GSM, n'est pas à proprement parler un téléphone mobile. Il ne permet pas de recevoir d'appel, seulement d'en émettre lorsque l'usager se trouve à proximité immédiate d'une borne. Il est à ce titre qualifié de "cabine téléphonique de poche".

Figure (1.4) : Bi Bop, 1995.

Le succès de ce réseau n'aura pas lieu. Le développement rapide du GSM, la réduction de taille des téléphones devenant réellement portables annihilent tout espoir et avantage du Poctel, (figure I.4).

France Télécom tentera un ultime rattrapage en lui associant la compatibilité avec les téléphones portables domestiques (avec une base chez un particulier). Le réseau fût abandonné en 1997, n'ayant convaincu qu'une centaine de millier d'usager.

GSM : un développement continu

Un des développements les plus remarquables du GSM est son usage international. Le réseau en lui-même n'est pas visible par l'usager (antennes relais mises à part). Il permet cependant de communiquer avec le même téléphone quel que soit le pays, pourvu que ce dernier aie adopté le standard. Victime de son succès, le GSM se voit rapidement attribuer d'autres bandes de fréquences.

On retiendra la bande des 1800 Mhz pour le DCS, et 800/1900 pour la version américaine.

Ces évolutions imposent aux fabricants des modèles "multi bandes" pour assurer la compatibilité avec l'ensemble des réseaux.

I.3 Perspectives d'évolution technologique

Un des changements majeurs dans le domaine de la téléphonie mobile sera l'adjonction, à la transmission de la voix, de la transmission d'images et de services interactifs fondés sur la communication (actualité, météo, loisirs, annonces commerciales...). Cette évolution ira, bien entendu, de pair avec un accroissement de la vitesse de transmission.

Elle se combinera aux nouvelles technologies d'accès fixe sans fil qui auront des répercussions sur l'environnement électromagnétique global.

 

Les nouvelles technologies d'accès sans fil


· Le DECT: C'est une norme européenne d'accès radio cellulaire numérique «sans fil ». Il a vocation à couvrir les domaines d'application de la téléphonie sans fil domestique et de la téléphonie sans fil d'entreprise.

Les principales différences du DECT par rapport aux principaux systèmes cellulaires numériques sont que:

-Alors que les systèmes cellulaires sont développés pour une large couverture géographique, la norme DECT est optimisée pour une couverture locale étroite (20- 300 m) avec une forte densité d'utilisateurs;

- La sélection et l'allocation des canaux de fonctionnement pour une communication sont automatiques, et ne nécessitent aucune planification de fréquences;

- La gestion de la mobilité en DECT est plus restreinte, son domaine d'application
étant le «sans fil» (réseaux locaux) plutôt que le «mobile ».

Ces différences n'empêchent pas d'envisager à terme une convergence entre le DECT et la téléphonie mobile. En effet, les évolutions récentes de la norme DECT permettent des échanges de données avec des débits pouvant atteindre 2 Mbits/s ainsi qu'une interopérabilité avec les réseaux mobiles de troisième génération.

La complémentarité avec le GPRS et l'UMTS pourrait permettre une utilisation plus importante du DECT par les particuliers et le DECT pourrait devenir un réseau d'accès mobile d'opérateur performant dans des zones localisées, au même titre que le WLAN;


· Les WLAN: ou réseaux locaux sans fil. Les technologies WLAN permettent d'établir des réseaux locaux Internet Protocole sans fil entre des ordinateurs et des périphériques.

Les services offerts sont les mêmes que ceux des accès fixes en mode IP: courrier électronique, accès à un Intranet d'entreprise, accès à Internet, téléchargement de fichiers, etc. L'application initiale était plutôt orientée vers des réseaux privés d'entreprise, mais certains opérateurs déploient des réseaux WLAN publics (plusieurs projets en Asie, et plus récemment en Europe).

Les WLAN, comme les systèmes cellulaires, utilisent des stations de base pour communiquer avec des ordinateurs portables. Les réseaux WLAN permettent de gérer la mobilité des utilisateurs au niveau IP. Les débits de transmission de données sont par ailleurs très supérieurs à ceux des réseaux cellulaires.

Ainsi, la technologie WLAN permet de fournir des services IP, à très haut débit avec un usage nomade; elle est appelée à se développer et, également, à fonctionner en liaison avec les réseaux GPRS et ultérieurement avec les réseaux UMTS;


· L'accès sans fil « Bluetooth » (du nom d'un roi Viking du Xème siècle): Cette technologie ne s'appuie pas sur une architecture centralisée et ne nécessite pas de point d'accès puisque les connexions peuvent s'effectuer directement entre les appareils.

A l'origine, Bluetooth était conçu pour des connexions de très courte portée, de l'ordre de 10 m (liaison entre divers appareils dans une maison ou entre le téléphone mobile et l'écouteur-micro).

Cependant, selon l'analyse récente de l'Autorité de Régulation des
Télécommunications, Bluetooth pourrait évoluer pour être utilisée comme réseau
d'accès afin d'offrir des possibilités similaires à ceux du WLAN, des bornes de

services Bluetooth étant utilisées en complément des accès réseaux mobiles de deuxième et troisième génération afin de desservir des sites d'entreprises.

 

LES TECHNOLOGIES D'ACCÈS MOBILES:

· GSM: Il fournit des services de transmission de la voix et éventuellement de données à bas débit dans un environnement mobile. L'architecture du réseau GSM repose sur un ensemble d'équipements spécifiques aux réseaux mobiles.

A l'intérieur de la « famille» GSM, deux évolutions sont déjà apparues: GPRS et EDGE;

· GPRS : Il constitue une évolution peu coûteuse du GSM offrant des vitesses de transfert proches de celles d'un modem classique d'ordinateur.

C'est un nouveau service mobile de transmission de données en mode «paquet» reposant sur la technologie d'accès radio GSM. Il offre des possibilités d'application multimédia mobiles qui marqueront une réelle rupture (musique et vidéo en ligne, «chats », e-mails, jeux, agenda...).

Selon l'étude précitée de l'ART, «le GPRS est incontestablement une technologie prometteuse pour la convergence entre téléphonie mobile et Internet car:

- Le GPRS réutilise, moyennant quelques adaptations techniques, les réseaux d'accès radio GSM et les éléments de réseaux ainsi que les procédures puissantes d'authentification et de gestion de la mobilité implémentées dans le coeur des réseaux et les terminaux GSM, ce qui en simplifie le déploiement.

- Par rapport au GSM, il permet une augmentation significative des débits de transmission de données, entre 30 et 40 Kilobits/s dans une première phase et plus de 100 Kilobits/s à moyen terme (vitesse maximale théorique: 171,2 Kilobits/s).

-Le GPRS repose sur un transport de données en mode paquet et utilise le protocole IP au niveau du coeur de réseau, ce qui garantit une compatibilité maximale avec les réseaux Intranet et Internet.

-Le GPRS autorise le développement de nouveaux usages basés par exemple sur une connexion permanente «always on» et sur une facturation des services en fonction du débit de données transmis, et non plus de la durée de connexion comme en GSM.

En revanche, les évolutions nécessaires au niveau de l'interface radio GSM pour supporter la transmission de données en mode GPRS imposent notamment le remplacement de terminaux existants par des appareils totalement GPRS ou plus généralement bi-mode, GSM/GPRS.

La technologie GPRS est communément appelée «2,5 G» car elle est vue comme une transition essentielle de la transmission de données bas débit en mode circuit du GSM, vers la transmission de données en mode paquet à très haut débit de l'UMTS.

. EDGE : C'est est une évolution du GPRS qui accroît ses performances.

Cette technologie devrait offrir un débit d'au moins 64 kilobits/s, soit plus que le débit dont dispose aujourd'hui un ordinateur connecté à Internet via un modem, ce qui est largement suffisant pour supporter les applications multimédia accessibles sur un mobile, d'autant que l'avenir doit également être envisagé avec les progrès de la compression numérique : Ainsi, diffuser du son sur un téléphone mobile avec un

débit de 256 kilobits/s en 1995. Il n'en fallait plus que 60 en 2000. Et l'on estime qu'en comprimant encore les fichiers, il ne faudra bientôt plus que 4 kilobits par seconde pour transmettre de la musique sur un mobile.

· TETRA: C'est un système radio numérique à vocation professionnelle et vise à remplacer à terme les réseaux privés analogiques.

C'est également une norme européenne qui devrait permettre aux professionnels de ne pas engorger les réseaux cellulaires publics, en particulier lors d'événements graves ou importants. Les professionnels des secteurs de l'urgence, de la sécurité ou des services de proximité (ambulances, pompiers etc.) sont potentiellement les plus intéressés par cette technologie.

TETRA a été conçu dans une perspective d'unification des réseaux privés analogiques et d'une intégration au plan européen.

Ses principales caractéristiques techniques lui permettent de se positionner comme une alternative intéressante au GSM dans le contexte professionnel, avec des similitudes mais aussi des différences notables: d'une part, la bande de fréquence est située autour de 400 MHz; d'autre part, le système fonctionne en TDMA (multiplex temporel) d'ordre quatre (quatre utilisateurs partageant la même fréquence), ce qui implique que les signaux sont pulsés à une fréquence différente du GSM (17,6 Hz contre 217 Hz).

· TETRAPOL: C'est une norme concurrente de TETRA dans le domaine des réseaux privés professionnels. Comme Tétra, c'est un système cellulaire numérique de radiocommunications à ressources partagées. Développée initialement en France, elle a été normalisée dans le cadre du Forum Tetrapol et

est utilisée aujourd'hui par de nombreux services de police et de gendarmerie en Europe pour leurs communications sécurisées.

Comme Tétra, Tétrapol fonctionne dans la bande 400 MHz mais, contrairement à Tétra (et au GSM), il utilise un simple multiplex fréquentiel sans multiplexage temporel: il ne génère donc pas de pulsations à basse fréquence.


· UMTS: est la norme cellulaire numérique européenne de troisième génération. Elle devrait offrir des vitesses de transmission nettement plus élevées que celles des réseaux de seconde génération et qui pourraient atteindre à terme 2 Mbits. Elle permettrait donc d'avoir accès à des liaisons Internet et des services multimédia à très haut débit.

La technologie UMTS présente de réelles différences par rapport à la technologie GSM:

-Elle suppose le déploiement d'équipements radio différents : l'UTRA ;

-Elle utilise de nouvelles bandes de fréquence (elle se situe dans la bande des 2 GHz);

-Elle augmente les débits disponibles pour les utilisateurs finaux en recourant au système d'accès CDMA et non plus au TDMA. Ses émissions ne sont pas pulsées;

- Enfin, elle nécessite l'utilisation de nouveaux terminaux. . L'avenir à moyen terme : la « Radio Logicielle »

Compte tenu de l'évolution rapide des techniques de transmission sur l'accès radio
et de la prolifération des normes, la reconfiguration d'une communication de bout
en bout, son adaptation rapide à l'environnement et à l'application, ainsi qu'une

interface radio flexible, sont des éléments incontournables dans la future évolution des réseaux.

Aujourd'hui, la gestion du spectre radio est réglementée et les systèmes actuels (FM, TV, GSM, UMTS, Tétrapol, etc. ...) fonctionnent dans des bandes de fréquences réservées. A plus long terme, une allocation dynamique du spectre entre plusieurs systèmes est inéluctable pour les réseaux futurs; la fonction radio devenant de plus en plus numérique et adaptative (d'où l'appellation de «radio logicielle»); les futurs réseaux d'accès évolueront ainsi vers une tendance multiservices, multi modes et multistandards, et adapteront dynamiquement le mode de transmission des terminaux en fonction des canaux disponibles, de l'environnement électromagnétique et de la qualité de service requise, avec des degrés de liberté et de flexibilité croissants. Cette évolution aura des implications fortes sur l'architecture (matérielle et logicielle) des équipements (terminaux et stations de base), ainsi que sur l'utilisation du spectre. Les décisions qui devront être prises aujourd'hui dans un environnement technique et réglementaire donné seront d'autant plus solidement fondées qu'elles en auront tenu compte.

I.4 Le réseau mobile

La zone de couverture est découpée en cellules de taille variable (de 100 mètres en ville et jusqu'à 30 kilomètres en campagne), qui se jouxtent, et sont chacune desservies par une station de base (antenne). Le réseau mobile (dit cellulaire) est donc constitué d'un réseau maillé de stations de base, qui permet de localiser l'abonné et d'acheminer sa communication. Les puissances émises par le mobile et la station de base se réglant automatiquement au niveau minimal nécessaire pour garantir une bonne qualité de liaison. Quand le signal devient trop faible, il est relayé par une cellule voisine (c'est ce que l'on appelle le hand-over).

C'est le même principe lorsque l'on passe les frontières, le signal étant alors relayé par le réseau mobile du pays ou l'on se trouve (c'est le principe du roaming).

Comment fonctionne une antenne?

Le principe d'une antenne est de convertir l'énergie électrique associée au signal à transmettre en champ électromagnétique (ondes) transmis par voie hertzienne, à travers les airs.

A l'arrivée, les antennes de réception reconvertissent le signal dans l'autre sens pour être utilisé par le mobile. Chaque relais assure la couverture d'une cellule, dont le périmètre varie de quelques centaines de mètres en zone urbaine, à plusieurs kilomètres en zone rurale. Le public n'est jamais à proximité immédiate des antennes (ou stations de base) situées à plusieurs mètres du sol. Leur rayonnement s'effectue à l'horizontale et non à la verticale. Le niveau du champ électromagnétique est très faible au pied de l'antenne. Il diminue considérablement lorsque l'on s'en éloigne, à la manière d'un jet d'eau. C'est pourquoi, le niveau maximal auquel est exposé le public est en moyenne inférieur à 1 volt/mètre. En comparaison, le champ électromagnétique émis par les bandes hertziennes dédiées à la radio FM, par exemple, est de 3 volts/mètre.

 

Comment émet un terminal mobile?

 

Les téléphones mobiles GSM ont une puissance maximale de 2 watts (pour les 900 MHz) et de 1 watt (pour les 1800 MHz). Compte tenu qu'une fréquence accueille 8 mobiles qui communiquent chacun leur tour, la puissance moyenne maximale émise lors d'une communication n'est donc que de 0,25 Watts, ce qui est minime (2 watts divisés par 8 pour le GSM 900). De plus, le terminal n'émet pas toujours à sa puissance maximale. Il gère

automatiquement sa puissance en fonction de la qualité du signal reçu, afin d'économiser de l'énergie (contrôle de puissance et de la transmission discontinue).

La puissance moyenne émise est donc bien souvent en dessous de 0,25 Watts, un mobile émettant en moyenne moins de 25% de sa puissance maximale.

I.4 Généralités sur les antennes

Il existe d'innombrables types d'antennes avec des caractéristiques très différentes et chaque type d'antenne correspond à un besoin bien défini. De plus, leur coût est souvent proportionnel à leurs performances.

 

Les caractéristiques principales

 

· diagramme de rayonnement: Antennes Omnidirectionnelles, Bidirectionnelles, Directives, etc....

· gain: Les antennes directives ont généralement un gain plus important que les omnidirectionnelles;

· bande passante: Les antennes à bande étroite ont généralement un gain plus important que les antennes à large bande;

· polarisation: Rectiligne (Horizontale, Verticale, etc....) ou Circulaire (Droite ou Gauche)

Les différents types d'antennes . Les macros antennes

Elles possèdent une portée supérieure aux micros antennes et servent à couvrir une zone extérieure relativement grande.

Il en existe différents types:

a) Antennes tri sectorisées

Emissions d'ondes radio dans un cercle de 120°.

b) Antennes omnidirectionnelles: Emissions d'ondes radio dans un cercle de 360°.

c) Antennes bidirectionnelles

Emissions d'ondes radio dans un cercle de 180°.

. Les micros antennes:

Ils servent à couvrir les rues, rues piétonnières, artères principales. Elles ont une portée de 500 mètres au maximum;

. Les pico antennes

Elles sont utilisées pour réaliser une bonne couverture à l'intérieur d'un bâtiment.

Les antennes directives, outre leur gain intéressant, permettent d'éviter des perturbations de ou à d'autres utilisateurs du fait de l'étroitesse de leur diagramme de rayonnement, tout en limitant la puissance d'émission nécessaire pour une liaison donnée.

La polarisation verticale est intéressante en ville ou dans les bâtiments car elle favorise les réflexions sur les structures environnantes. La polarisation horizontale est préférable pour des liaisons à plus longue distance. Quand à la polarisation circulaire, elle est surtout utilisée pour des liaisons avec des stations en mouvement (véhicules, aéronefs, etc....)

I.6 Les télécommunications par satellite

Les télécommunications par satellite ne sont qu'un exemple des systèmes de télécommunications sans fil. La vie quotidienne nous en fournit bien d'autres comme la radio, la télévision et le téléphone mobile ou sans fil. Ces systèmes reposent sur un réseau d'émetteurs et de récepteurs au sol, d'où leur nom de

systèmes terrestres. La différence la plus évidente, mais néanmoins importante, entre les systèmes de télécommunications terrestres et ceux par satellite réside dans le fait que, pour ces derniers, l'émetteur n'est plus au sol mais dans le ciel. Grâce à sa capacité de "voir " environ un tiers de la surface de la Terre depuis sa position dans l'espace, un satellite peut couvrir une très vaste zone géographique. Les avantages sont donc multiples :

Avec trois satellites seulement, on peut établir un système mondial couvrant la quasi totalité du globe à l'exception des régions polaires très peu peuplées. Pour une couverture équivalente avec des moyens terrestres, il faudrait un réseau d'émetteurs au sol très dense et très coûteux.

Les services peuvent être très rapidement offerts puisque la couverture est assurée pour tous les utilisateurs dès le premier jour, sans passer par les étapes de la mise en place d'un réseau de transmissions au sol. Ainsi, que vous habitiez dans une région très reculée ou en plein centre d'une grande ville, vous bénéficierez de la même qualité de service grâce à une simple antenne.

Les satellites font naturellement reculer les frontières fournissant ainsi de nombreuses possibilités de services véritablement internationaux.

I.7 Conclusion

Nous sommes aux prémices d'une révolution dans les communications mobiles; d'une révolution qui nous libérera enfin, en tant qu'utilisateur de communication, de l'obligation d'être rattaché à un endroit particulier et fixe du réseau téléphonique, qui nous offrira la possibilité de communiquer par la phonie et par les données.

Dans ce chapitre on a présenté les évolutions de la téléphonie mobile, dans le chapitre suivant on va présenter le réseau GSM qui était au sommet de ces derniers.

CHAPITRE II

LE RESEAU GSM

II.1 Introduction

Le GSM est un système de radiotéléphonie numérique flexible et évolutif, appelé aussi téléphonie de deuxième génération (2G).

II.2 Présentation générale du réseau GSM

Le GSM est un réseau dont le territoire où le service disponible est divisé en cellules juxtaposées.

Une cellule est une zone géographique dans laquelle est assurée la disponibilité d'un canal de transmission de donné.

 

Origine de la Norme GSM

 

Le GSM est une norme d'origine Européenne développé par le »Groupe Spécial Mobile» créé par le CEPT en 1982.

Produits définis et bande de fréquence attribuée au GSM

La norme définit deux types de réseaux numériques:

· Un réseau cellulaire GSM dans la bande des 900 MHz;

· Un réseau DCS qui est une variante du GSM dans la bande de1800 MHz.

services offerts

Les services offerts sont entres autres:

· La téléphonie classique (émission et réception d'appels)

· La transmission des données (9600 bits/s);


· L'inter fonctionnement avec les réseaux des données (X25, Internet..);

· Les services supplémentaires (renvoi d'appel, messagerie vocale....);

Exploitation

Pour l'usager le réseau GSM se caractérise principalement par :

· Le `'Hand-Over», permettant à un abonné mobile, se déplaçant entre différentes cellules, de maintenir une communication établie;

· Le `'Roaming», permettant au réseau de localiser un abonné mobile pour lui transférer des appels;

· L'identification et l'authentification d'un abonné;

· La confidentialité des informations transmises;

· La confidentialité de la localisation des abonnés mobiles.

II.3 Architecture du réseau GSM

Un réseau GSM compte une (ou plusieurs) station de base par cellule. La station mobile choisit la cellule selon la puissance du signal. Une communication en cours peut passer d'une cellule à l'autre permettant ainsi la mobilité des utilisateurs. Les composantes principales sont :

 

Le contrôleur de station de base : BSC - Base Station Controller; La station de base : BTS - Base Transceiver Station;

Le commutateur de service mobile : MSC - Mobile Switching Center.

La figure (II.1) illustre l'architecture du GSM.

On peut diviser le réseau en quatre parties principales :

1. La station mobile : MS - Mobile Station

2. Le sous-système radio : BSS - Base Station Subsystem

3. Le sous-système réseau : NSS - Network Subsystem

4. Le sous-système opération : OSS - Operation Subsystem

Figure (II.1): Architecture globale du réseau GSM.

II.3.1 Station mobile MS

La station mobile est composée d'une part du terminal mobile (ME), et d'autre part du module d'identité d'abonné (SIM).

Le terminal mobile est l'appareil utilisé par l'abonné. Différents types de terminal sont prescrits par la norme en fonction de leur application (fixé dans une voiture, portatif) et de leur puissance (de 0.8W à 20W). Chaque terminal mobile est identifié par un code unique (IMEI). Ce code est vérifié à chaque utilisation et permet la détection et l'interdiction de terminaux volés.

Le module d'identité d'abonné (SIM) est une carte à puces qui contient dans sa mémoire le code (IMSI) qui identifie l'abonné de même que les renseignements relatifs à l'abonnement (services auxquels l'abonné a droit). Cette carte peut être utilisée sur plusieurs appareils. Il est à noter que l'usager ne connaît pas son IMSI mais il peut protéger sa carte à puce à l'aide d'un numéro d'identification personnel à quatre chiffres.

II.3.2 Le sous-système radio BSS

Le sous-système radio comprend deux parties.

La première, appelée station de base (BTS), consiste en un ou un ensemble d'émetteurs-récepteurs et leur antenne. Généralement, une BTS est associée à une cellule et est située au centre de celle-ci.

La communication entre la station mobile et la station de base est réalisée par l'interface (Um), appelé aussi interface air ou lien radio.

La seconde partie est le contrôleur de station de base (BSC) dont le rôle est de gérer
les ressources radio (configuration des canaux, transfert intercellulaire) d'une ou

plusieurs stations de base (BTS), en plus d'établir le lien physique (via l'interface A) entre les BTS et le commutateur de service mobile (MSC), que nous verrons dans la section suivante.

II.3.3 Le sous-système réseau (NSS)

Le rôle principal de ce sous-système est de gérer les communications entre les abonnés et les autres usagers qui peuvent être d'autres abonnés, des usagers sur le réseau RNIS ou des usagers de réseaux téléphoniques fixes.

II.3.3.1 Commutateur de service mobile (MSC)

Cet élément peut être considéré comme le coeur d'un système cellulaire puisqu'il fait la gestion des appels et de tout ce qui est lié à l'identité des abonnés, à leurs enregistrements et à leurs localisations.

Le MSC agit en somme comme un noeud d'un réseau commuté.

II.3.3.2 Commutateur d'entrée de service mobile (GMS)

Ce commutateur est l'interface entre le réseau cellulaire et le réseau téléphonique publique.

Le GMSC est chargé d'acheminer les appels du réseau fixe à un usager GMS.

II.3.3.3 Registre des abonnés locaux (HLR)

Il s'agit d'une base de données contenant les informations sur les abonnés appartenant à la région desservie par le commutateur de services mobiles (MSC). Cette base de données contient également la position courante de ses abonnés.

II.3.3.4 Registre des abonnés visiteurs (VLR)

Cette base de données contient temporairement des informations sur les abonnés qui visitent une région desservie par un MSC autre que celui auquel ils sont abonnés.

Ces informations proviennent du HLR auquel l'abonné est enregistré et indiquent les services auxquels l'abonné a droit. Ce transfert d'informations se fait qu'une seule fois et n'est effacé que lorsque l'abonné ferme son appareil ou quitte la région du MSC courante. En procédant ainsi, le VLR n'a pas à interroger le HLR chaque fois qu'une communication est demandée par ou pour l'abonné visiteur. Il est à noter que le VLR est toujours associé à un MSC.

II.3.3.5 Centre d'authenticité (AuC)

Le AuC est une base de données protégée qui contient une copie de la clé secrète inscrite sur la SIM de chaque abonné. Cette clé est utilisée pour vérifier l'authenticité de l'abonné et pour l'encryptage des données envoyées.

II.3.3.6 Registre d'identification d'équipement (EIR)

Comme nous l'avons vu précédemment, chaque terminal mobile est identifié par un code IMEI. Le registre EIR contient la liste de tous les terminaux valides.

Une consultation de ce registre permet de refuser l'accès au réseau à un terminal qui a été déclaré perdu ou volé.

II.3.3.7 Unité de transfert GSM (GIWU)

Le GIWU correspond à une interface à divers réseaux pour les communications de données. Au cours de ces communications, la transmission de la voix et des données peut alterner.

II.3.4 Sous-système opération (OSS)

Ce sous-système est branché aux différents éléments du sous-système réseau de même qu'au contrôleur de station de base (BSC). Par une vue d'ensemble du réseau, le OSS contrôle et gère le trafic au niveau du BSS.

II.4 Fonctions d'un système GSM

Les fonctions que doit remplir un réseau GSM comprennent non seulement la transmission des données mais également l'enregistrement, l'authentification, le routage et la mise à jour de la localisation. Ces fonctions sont réalisées par le sous- système réseau en utilisant le protocole (MAP).

Figure (II.2) : Fonctions du système GSM

Les fonctions que nous verrons sont:

 

Transmission;

Gestion des ressources radio (RR);

Gestion de la mobilité (MM);

Gestion de la communication (CM);

Opération, administration et entretien (OAM).

II.4.1 Transmission

Cette fonction comprend deux sous fonctions:

La première est reliée aux moyens requis pour la transmission de l'information de l'usager;

La deuxième est reliée aux moyens requis pour la transmission de l'information de signalement.

Les éléments impliqués pour ces fonctions sont la station mobile (MS), la station de base (BS) et le contrôleur de station de base (BSC).

II.4.2 Gestion des ressources radio (RR)

Le rôle de cette fonction est d'établir, maintenir et libérer un lien entre la station mobile et le commutateur de service mobile (MSC).

Les composantes les plus impliquées sont la station mobile (MS) et la station de base (BS). Par ailleurs, le MSC est impliqué dans une sous fonction du RR qui est le transfert de communication intercellulaire (handover).

Les principales procédures permettant de remplir ces responsabilités sont:

Assignation, changement et libération d'un canal de communication (fréquence);

Transfert de communication intercellulaire (handover);

Sauts de fréquences (Frequency hopping), 217 sauts par seconde; Contrôle du niveau de puissance;

Transmission et réception interrompue.

II.4.2.1 Transfert de communication intercellulaire (handover/handoff)

Le fait qu'un abonné se déplace peut engendrer le besoin de changer de canal (fréquence) et/ou de cellule, spécialement lorsque la qualité de la communication se détériore.

La procédure de changement de canal est appelée transfert de communication intercellulaire. On retrouve quatre types de transfert:

 

Transfert de canal dans une même cellule;

Transfert de cellules contrôlées par la même BSC;

Transfert de cellules appartenant au même MSC, mais contrôlées par différents BSC;

Transfert de cellules contrôlées par des MSC différents.

Les deux premiers types de transfert sont dits internes car seul la BSC est impliquée pour ceux-ci. En faisant appel seulement au BSC pour la gestion de ce transfert, on sauve de la largeur de bande de signalement; le MSC n'est pas impliqué, sauf à la fin du transfert pour être avisé que celui-ci est complété.

Les deux autres types de transfert, appelés externes, sont gérés par les MSC
impliqués. Un aspect important de la norme GSM est que le MSC original, le MSC
d'attache, demeure responsable pour la plupart des fonctions reliées aux appels, à

l'exception d'un transfert subséquent à un autre BSC sous le contrôle d'un nouveau MSC, ce dernier appelé MSC de relais.

Un transfert intercellulaire peut être initié aussi bien par une station mobile que par un MSC (comme moyen pour équilibrer le trafic d'appels). Pour initier un transfert, la station mobile contrôle continuellement la puissance de son signal auprès des cellules environnantes.

La mesure de la puissance permet de décider laquelle des cellules est la meilleure, de manière à maintenir la qualité du lien de communication.

Deux algorithmes de base sont utilisés pour le transfert intercellulaire:

- L'algorithme de la «performance minimum acceptable»; lorsque la qualité de la transmission diminue, le niveau de puissance de la station mobile est augmenté jusqu'à ce que cette augmentation n'ait plus d'effet sur la qualité du signal. Alors, un transfert est réalisé.

- L'algorithme de «l'économie de puissance»; cet algorithme effectue un transfert au lieu d'augmenter la puissance, de manière à obtenir une communication de qualité.

II.4.3 Gestion de la mobilité (MM)

Cette fonction a la responsabilité de tous les aspects touchant la mobilité d'un usager, en particulier la gestion de la localisation, l'authenticité et la sécurité.

II.4.3.1 Gestion de la localisation

La première localisation appelée procédure d'attache IMSI, a lieu lorsqu'un terminal mobile est ouvert.

Par la suite, lorsque la station mobile change de LA ou de PLMN, il initie une mise à jour en envoyant un message au nouveau MSC/VLR. Ce dernier envoie un message au HLR de l'abonné pour que le registre de la position courante soit ajusté.

Il est à noter qu'une mise à jour de la localisation est effectuée périodiquement. Si après un certain délai la station mobile ne s'est pas manifestée, elle est alors désenregistrée. À la fermeture d'une station mobile, une procédure de détachement IMSI est réalisée.

II.4.3.2 Authenticité et sécurité

On retrouve deux procédures d'authentification. La première se fait sur l'abonné et la deuxième sur l'équipement.

L'authentification de l'abonné implique le module d'identité de l'abonné (SIM) et le centre d'authenticité (AuC). Chaque abonné reçoit un code secret qui est inscrit sur son SIM, et au AuC. Lors de la procédure d'authentification, le AuC génère un nombre aléatoire qui est envoyé à la station mobile.

Au niveau de l'équipement, comme nous l'avons vu précédemment, chaque station mobile est identifiée par un numéro IMEI. Ce numéro est comparé aux listes contenues au registre d'identification d'équipement (EIR). Les numéros EIMI sont classés en trois catégories.

 

liste blanche: le terminal peut être branché au réseau;

liste grise: le terminal est sous observation pour des problèmes potentiels;

liste noire: le terminal a été rapporté volé ou perdu ou n'est pas d'un type approuvé et est alors refusé sur le réseau.

II.4.4 Gestion des communications (CM)

Cette fonction est responsable du contrôle des appels (CC), de la gestion des services supplémentaires et de la gestion des services de court message (SMS). Seule la première responsabilité sera couverte.

II.4.4.1 Contrôles des appels (CC)

Le CC est responsable de l'établissement, du maintien et de la libération des appels. Une des fonctions la plus importante du CC est le routage des appels.

Pour rejoindre un abonné mobile, un usager compose le numéro d'abonné mobile RNIS (MSISDN) qui inclut

le code du pays;

le code national de destination identifiant l'opérateur du réseau de l'abonné à joindre;

le code de l'abonné enregistré au HLR.

La figure (II.3) illustre le routage d'une communication d'une station fixe vers une station mobile.

Figure (II.3) : Le routage d'une communication

Le MSISDN se rend jusqu'au st un commutateur qui interroge le HLR

de l'abonné pour obtenir l'information de routage.

Le HLR demande l'information du VLR courant, et le dernier alloue un numéro d'itinérance de station mobile (MSRN) pour cet appel, et ce numéro est retourné au HLR qui renvoie au GMSC. L'appel est alors acheminé vers le MSC courant. Puis, en vérifiant IMS correspondant au MSRN, il se rend jusqu'à la station mobile.

II.4.5 Opération, administration et entretien (OAM)

Cette fonction permet à l'opérateur du réseau de contrôler le système en plus de modifier la configuration des éléments du système.

Le OSS est la clé centrale mais le sous-système radio (BSS) et le sous-système réseau (NSS) contribuent à cette fonction en fournissant de l'information au OSS, en plus d'effectuer des tests eux-mêmes.

II.5 Interface radio

Cette interface est celle entre la station mobile et l'infrastructure fixe.

Elle est appelée Um. C'est l'une des interfaces les plus importantes d'un système GSM.

Afin d'obtenir une compatibilité entre les stations mobiles et les différents réseaux pour permettre l'itinérance, c'est primordial de définir complètement cette interface.

II.5.1 Allocation des fréquences

La norme GSM a connu une évolution. La première génération utilise la bande de fréquence des 900 MHz, alors que la deuxième utilise la bande des 1800 MHz.

Chaque canal radio comprend un couple de deux canaux (ou bandes de fréquences), l'un pour la transmission des signaux de la station de base vers les stations mobiles, le canal descendant, l'autre pour la transmission des signaux des stations mobiles vers la station de base, le canal montant. GSM exploite à la fois les techniques SDMA, FDMA et TDMA (espace, fréquence, temps).

Les caractéristiques de chaque génération sont données au tableau suivant:

Tableau (II.1) : Allocation des fréquences

Il est à noter que ce ne sont pas tous les pays qui peuvent utiliser toutes les bandes spectrales en raison d'applications militaires et d'une utilisation déjà réservée pour les systèmes cellulaires analogiques.

De plus, si dans un pays donné, plusieurs compagnies exploitent un réseau numérique, alors chacun aura une bande de fréquences différentes afin de prévenir les chevauchements.

On constate que la bande spectrale est multiplexée en fréquences (FDMA) pour obtenir plusieurs canaux et chacun de ces canaux est multiplexé selon une technique temporelle (TDMA) d'ordre 8.

Lors de l'établissement d'une communication, une fréquence est allouée à l'utilisateur selon le FDMA, de même qu'une slot selon le TDMA.

On peut donc avoir 8 communications simultanément sur un même canal.

La figure (II.4) ci-dessous, illustre par les carrés gris les slots qu'une communication occupe pour une période de temps. Pour cet exemple les fréquences 935.4 et 890.4 MHz et la slot 2 ont été allouées.

Figure (II.4): Canal descendant et canal ascendant

II.5.2 Trame TDMA

La figure (II.5) indique que les données sont assemblées sous la forme de trame. Un groupe de trame est appelé multi trame.

On peut avoir deux types de multi trames: l'une avec 26 trames TDMA et l'autre avec 51 trames. Cette dernière multi trame est utilisée pour la signalisation.

Figure (II.5): Type de multi trame.

Chaque trame de données est délimitée par un groupe de 3 bits au début et à la fin de celle-ci. Ces bits sont utilisés pour couvrir les périodes de montée et de descente de puissance de la station mobile.

La trame de données contient deux champs Information de 57 bits, chacun étant associé à un champ Contrôle de 1 bit, spécialement si l'information attachée est une donnée utile (bit= 0) ou une donnée de signalisation (bit =1). Il est à noter que l'information des champs Information est chiffrée (encryptée).

Un champ Synchronisation de 26 bits entre les deux champs Information permet au récepteur de se synchroniser avec la trame de données de l'émetteur.

Le temps de transmission d'une trame de données est de 577 usec. Une station
mobile ne peut transmettre qu'une trame de données toutes les 4,6 15 msec (ce qui
est la durée d'une trame TDMA) sachant qu'il partage le canal radio avec 7 autres

terminaux mobiles. C'est donc dire que le débit brut de chaque canal est de 270 kbps. Donc le débit réel pour chaque usager est 33.8 kbps mais le débit effectif est 24.7 kbps.

On remarquera que la trame TDMA numéro (12) est utilisée pour le contrôle alors que la trame TDMA numéro (26) est réservée pour de futures extensions.

Nous venons de voir la trame normale qui est utilisée pour transporter la voix ou des données. Cependant il existe trois autres types de trame qui sont utilisés sur des canaux de contrôle.

Nous verrons par la suite les différents types de canaux que GSM définie. Les différentes trames sont:

 

Trame de correction de fréquence qui est utilisée sur le canal FCCH, cette trame a la même longueur qu'une trame normale mais sa structure est différente; Trame de synchronisation qui est utilisée sur le canal SCH, cette trame a la même longueur qu'une trame normale mais sa structure est différente;

Trame d'accès aléatoire qui est utilisée sur le canal RACH et dont la longueur est plus courte que celle d'une trame normale.

II.6 Système cellulaire

Dans un système cellulaire, la région couverte est divisée en cellule, comme illustré à la figure (II.6). Une cellule est de forme circulaire mais dépend en réalité de la topographie de la région qui est servie par l'antenne de la cellule. Pour plus de clarté, on peut les illustrer par des hexagones. Au centre d'une cellule on retrouve un ou un ensemble d'émetteurs récepteurs correspondant à une bande de fréquences.

Figure (II.6): Système cellulaire

Le dimensionnement d'une cellule est en fonction de la puissance et de son émetteur-récepteur. Si un émetteur-récepteur est très puissant, alors son champ d'action sera très vaste, mais sa bande de fréquence peut être rapidement saturée par des communications.

Par contre, en utilisant des cellules plus petites, (émetteur-récepteur moins puissant) alors la même bande de fréquence pourra être réutilisée plus loin, ce qui augmente le nombre de communications possibles.

Dans la conception d'un réseau cellulaire, il faut considérer les aspects suivants:

 

La topographie (bâtiments, collines, montagnes, etc.);

La densité de la population (ou de communications) pour établir la dimension de cellule;

Deux cellules adjacentes ne peuvent utiliser la même bande de fréquence afin d'éviter les interférences. La distance entre deux cellules ayant la même bande doit être de 2 à 3 fois le diamètre d'une cellule.

La taille des cellules peut varier entre 0.5 et 35 km et dépend de la densité d'utilisateur et de la topographie. Les cellules sont regroupées en bloc (appelé motif ou cluster). Le nombre de cellules dans un bloc doit être déterminé de manière à ce que le bloc puisse être reproduit continuellement sur le territoire à couvrir. Typiquement, le nombre de cellules par bloc est de 4, 7,12 ou 21. La forme et la dimension des blocs et le nombre de cellules est fonction du nombre de fréquences (canaux) disponibles.

II.7 Interfaces du réseau

Les interfaces sont des protocoles permettant de communiquer entre chaque structure du réseau GSM. Elles sont un élément essentiel définit dans la norme GSM car ce sont ces interfaces qui déterminent les interconnexions réseaux au niveau international.

Le tableau suivant présente les interfaces dans un système GSM:

Tableau (II.2) : Interface du réseau

 

Localisation

Utilisation

Um

Terminal - BTS

Interface radio (Cf. partie 3)

Abis

BTS - BSC

Divers (transfert des communications...)

A

BSC - MSC

Divers (transfert de données)

B

MSC - VLR

Divers (transfert de données)

C

GMSC - HLR

Interrogation HLR pour appel entrant

D (1)

VLR - HLR

Gestion des informations d'abonnés et de localisation

D (2)

VLR - HLR

Services supplémentaires

E

MSC - MSC

Exécution des "handover"

F

MSC - VLR

Vérification de l'identité du terminal

G

VLR - VLR

Gestion des informations d'abonnés

H

HLR - AuC

Echange des données d'authentification

L'interface à respecter de façon impérative est l'interface D car elle permet à un MSC/VLR de dialoguer avec le HLR de tout autre réseau étranger. Sa conformité permet l'itinérance internationale. De même le respect de l'interface A permet aux opérateurs d'avoir différents fournisseurs et de pouvoir changer au fur et à mesure du déploiement de leurs réseaux.

En revanche, l'interface B est rarement normalisée car comme nous l'avons vu VLR et HLR sont souvent confondus.

II.8 Architecture des protocoles dans le réseau GSM

La recommandation GSM établit une structuration des protocoles en couches tout en respectant la philosophie générale des couches OSI.

II.8.1 Les protocoles pour gestion de la signalisation

Les réseaux téléphoniques utilisent de plus en plus les techniques numériques: transmission numérique sur voies MIC.

De nouveaux services ont été ouverts. Ils peuvent nécessiter un échange de signalisation sans établissement réel d'un circuit de communication. Il a donc fallu séparer la signalisation de la transmission et faire transiter cette signalisation sur des liaisons spécifiques. C'est la « signalisation par canal sémaphore ».

Par opposition a la signalisation voie par voie, la signalisation par canal sémaphore peut se définir comme une méthode dans laquelle une seule voie, le «canal sémaphore », achemine, grâce à des messages étiquetés, l'information de signalisation se rapportant à une multiplicité de circuits ou à des messages de gestion de la supervision.

Les fonctions à réaliser dans un réseau sémaphore sont séparées en différents niveaux hiérarchiques comparables aux couches du modèle OSI.

II.8.1.1 Le MTP

Le MTP ou SSTM, offre un service de transfert fiable des messages de signalisation qui est utilisé par des entités fonctionnelles différentes selon le réseau utilisé ou l'application.

Ces entités sont appelées sous-systèmes utilisateurs (User Part).

Les sous-systèmes utilisateurs contiennent en quelque sorte les procédures de traitement d'appel ou de l'application. Ils ont donc trait à la couche d'application du modèle OSI.

Tous les sous-systèmes utilisateurs s'appuient sur le MTP qui comprend trois niveaux qui correspondent en première approche aux trois couches basses du modèle OSI (Physique, Liaison de Données et Réseaux).

Le MTP permet de réaliser un réseau sémaphore national.

MTP niveau 1: Définit les caractéristiques physiques, électriques et fonctionnelles d'une liaison sémaphore de données et les moyens d'y accéder. En général, on utilise des conduits numériques à 64kbit/s;

MTP niveau 2: Définit les fonctions et les procédures de transferts des messages de signalisation de façon à fournir un transfert fiable entre deux points. L'unité de données échangées à ce niveau est une «trame sémaphore ». Le protocole contient un mécanisme de contrôle de flux, de détection d'erreur et de correction par retransmission. Un processus de retransmission cyclique préventive est possible. Il comporte un mécanisme de surveillance de taux d'erreur sur la liaison sémaphore. Il informe le niveau supérieur quand le taux d'erreur trames dépasse un seuil critique.

MTP niveau 3 : Définit les fonctions et les procédures de transfert de messages entre les noeuds du réseau sémaphore, PS ou PTS.

Il comprend une fonction d'orientation des messages de signalisation et une fonction de gestion du réseau sémaphore.

Il offre un service réseau de type sans connexion au sein d'un même réseau sémaphore.

La fonction d'orientation réalise le routage au sein d'un réseau sémaphore SS7 national.

Les messages de niveau 3 sont de type datagrammes et comportent le code de point sémaphore du destinataire et le code de point sémaphore de l'expéditeur du message.

II.8.1.2 Le SS7:

Il est utilisé pour la signalisation non liée à l'établissement de circuit.

Le réseau téléphonique offre actuellement un certain nombre de services qui ne nécessitent pas obligatoirement l'établissement d'un circuit, mais seulement l'échange de signalisation. Ces services sont gérés par des applicatifs (Application part) comme par exemple le protocole MAP. Deux couches de protocoles ont été développées - le SCCP et le TCAP - pour ces applicatifs.

Le SCCP

Le SCCP ou Sous-système de commande des connexions sémaphores (SSCS) offre deux services supplémentaires par rapport au MTP:

· L'échange de signalisation pure au niveau international;

· Le service orienté connexion.

Le TCAP

Le « Gestionnaire de Transaction », fréquemment désigné par (TCAP), a pour objet de faciliter les dialogues à travers un réseau de façon indépendante d'une quelconque application et particulièrement de l'établissement d'un circuit téléphonique.

Le Gestionnaire de Transaction est une entité qui se place entre l'application et le SCCP.

De nombreuses fonctionnalités du réseau téléphonique nécessitent des échanges de données qui ne sont pas toujours liés à l'établissement d'un circuit de parole.

Parmi celles-ci, on peut noter:

· La gestion de la localisation dans les réseaux mobiles;

· Les services supplémentaires téléphoniques comme l'appel avec une carte de crédit qui peut nécessiter des vérifications;

· L'administration du réseau qui peut provoquer des transferts de mesures effectués sur le réseau.

II.8.1.3 Présentation générale du protocole MAP

Le protocole MAP, régit l'ensemble des échanges entre équipements du réseau coeur. Il offre les fonctions de signalisation nécessaire à un service de communication voix ou données dans un réseau mobile. Il a principalement trait à toutes les fonctions qui permettent à un mobile d'être itinérant. Il s'appuie sur TCAP, lui-même reposant sur SCCP.

II.9 Les Canaux

Les fonctions de contrôle engendrent des transferts de données; pour cela plusieurs canaux logiques ont été définis pour les différents types de fonctions. L'interface radio permet d'offrir un certain nombre de tuyaux numérique, qui transporte les données utilisateurs, et pour supporter les différentes fonctions spécifiées par la norme, il faut prévoir plusieurs fonctions de contrôle de nature et de niveau varié sur l'interface radio. On peut distinguer ces canaux en trois types:

Ils sont: Les canaux dédiés, Les canaux de diffusion, les canaux de contrôle communs.

Tableau (II.3) : Canaux du réseau GSM

Type du canal

Nom du canal

Définition du Canal

Les canaux dédiés:
Ils fournissent une
ressource réservée à
un MS. Le mobile se
voit attribuer une paire
de slots dans laquelle
il est seul à émettre et
recevoir.

Canal de trafic TCH
(Traffic Channel)

C'est un canal de trafic. Ils permettent de transmettre la parole à 13 kbit/s ou des données jusqu'à 12 kbit/s.

 

Il est alloué aux phases d'établissement de communications et à la transmission de courts messages alphanumériques.

 

Il est associé aux canaux TCH ou SDCCH afin de les contrôler car la liaison radio est fluctuante.

 

Lorsqu'un TCH est alloué, on suspend en cas d'urgence la transmission des informations usagers et on récupère la capacité libérée afin d'écouler la signalisation. On obtient ainsi un nouveau canal de signalisation le FACCH. Lorsque le canal alloué est un SDCCH, ce dernier peut écouler tous les types de signalisation, on n'introduit pas le FACCH.

Les canaux de
diffusion :
Ils permettent à
chaque mobile de se
raccorder au système
local en acquérant les
paramètres
nécessaires.

Canal de correction de
fréquence FCCH
(Frequency Correction
CHannel
)

Il permet de transmettre des informations au MS afin de synchroniser son synthétiseur aux fréquences de travail de la BTS dont il dépend.

 

Il permet au mobile d'identifier la BTS, de calculer le numéro FN de trame dans l'hypertrame et de se synchroniser sur la BTS. Il est présent uniquement sur le slot 0 d'une trame TDMA. Il est toujours situé après le burst FCCH

 

 

Canal de contrôle de diffusion
BCCH (Broadcast Control
Channel
)

Il permet la diffusion de donnés caractéristiques de la cellule. Suivant la nécessité pour le mobile d'acquérir avec rapidité ces informations, elles sont diffusées plus ou moins fréquemment.

Les canaux de
contrôle communs
CCCH
: Ils sont
réservés pour les
opérations de gestion
des communications
(établissement,
allocation de canaux
de trafic).

Canal d'accès aléatoire RACH
(Random Access Channel)

Il permet au mobile de signaler au BTS qu'il désire effectuer une opération sur le réseau (localisation, envoi de messages courts, appel d'urgence, appel normal,...).

 

Il permet de diffuser l'identité d'un mobile. En effet, lorsque l'infrastructure veut communiquer avec un MS (appel, message court, authentification), elle diffuse l'identité du mobile sur un ensemble de cellules.

 

Il est utilisé pour l'allocation d'un canal dédié à un mobile. Le message d'allocation contient la description complète du canal de signalisation utilisé: Numéro de porteuse et du slot utilisé; il contient également le paramètre TA.

 

Il permet de diffuser aux usagers présents dans la cellule des informations spécifiques

(informations routières, météo).

 

II.10 L'implantation du GPRS sur le réseau GSM existant

Le GPRS ne constitue pas à lui tout seul un réseau mobile à part entière, mais une couche supplémentaire rajoutée à un réseau GSM existant. Il peut donc être installé sans aucune licence supplémentaire.

Ceci signifie que tous les opérateurs qui disposent d'une licence GSM peuvent faire évoluer leur réseau vers le GPRS. L'ART n'a d'ailleurs pas fait d'appel d'offre pour le GPRS alors qu'elle en a fait pour l'UMTS.

Le GPRS, appelé aussi GSM 2+, repose sur la transmission en mode paquet. Ce principe déjà, retenu par exemple pour le protocole X.25, permet d'affecter à d'autres communications les « temps morts » d'une première communication. Conçu pour réutiliser au maximum les infrastructures GSM existantes, le déploiement du GPRS nécessite la mise en place d'une infrastructure réseau basée sur la commutation de paquets et l'introduction de passerelles pour s'adosser aux réseaux GSM existants.

Cette technologie, capable de fournir des débits par utilisateur allant plus de 115 kbit/s (contre 9,6 kbit/s pour le GSM), offre des fonctionnalités intéressantes :

 

Plusieurs canaux peuvent être alloués à un utilisateur ; Ces mêmes utilisateurs peuvent partager un même canal ; Le débit est indépendant des liens montant et descendant.

 

L'implantation du GPRS peut être effectuée sur un réseau GSM existant. Les stations de base ne subissent aucune modification si ce n'est l'adjonction d'un logiciel spécifique, qui peut être installé par téléchargement.

Plus en amont, le contrôleur de stations de base doit être doublé par un contrôleur de paquets PCU. Vient ensuite, la chaîne destinée aux données par paquets, constituée du commutateur SGSN ou Switch spécifique GPRS, équivalent au MSC, Contrôleur qui a pour fonction de vérifier l'enregistrement des abonnés, de les authentifier et d'autoriser les communications, et du module d'accès GGSN au monde IP.

Ces modifications mineures de l'infrastructure soulèvent deux remarques : La première est que, il n'est pas possible d'installer un réseau GPRS si un réseau pas GSM n'existe.

La deuxième remarque concerne l'UMTS, le réseau de troisième génération qui suivra le GPRS. Il pourra réutiliser une partie du réseau GPRS, notamment la partie qui permet l'accès au monde IP.

II.10.1 Les appels en mode paquet

Contrairement aux appels en mode circuit, la partie GPRS du réseau coeur n'utilise pas de protocoles de transport en mode connecté.

Les appels GPRS utilisent en fait deux tunnels de communication figure (II.7):

Le premier tunnel est utilisé pour transférer les données usagers du terminal au SGSN;

Le second tunnel sert à transférer les données usager du SGSN au GGSN, point d'accès au réseau IP. Ce tunnel utilise les protocoles GTP, basés sur un transport UPD (ou TPC) sur IP.

Le protocole GTP a ensuite été légèrement modifié pour être repris dans la norme UMTS.

Paquet IP Dest Source

En-tête
GTP

Encapsulation GTP

 
 
 
 

GGSN

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

En-tête
SNDCP

 
 
 
 

SGSN

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Décapsulation
Encapsulation

Encapsulation

Terminal GPRS

Figure (II.7) : La transmission des données en GPRS

L'utilisation du terme «tunnel» correspond au fait que les données transmises sont encapsulés dans un protocole spécifique (GTP entre le SGSN et le GGSN, et SNDCP entre le mobile et le SGSN) pour être transportées d'un noeud a l'autre.

II.10.2 Scénario d'évolution

Le passage de la deuxième génération, celle des systèmes numérique comme le GSM, à la troisième génération, celle de l'UMTS, ne se fera pas en une seule fois, à partir du GSM d'origine. Avant de laisser définitivement la place à un système résolument nouveau, le GSM aura connu quelques évolutions majeures.

La plus significative des ces évolutions est sans doute l'introduction de services en mode paquet.

La transmission en mode paquet sur la voie radio GPRS est la réponse du GSM au défi de la transmission de données à haut débit, permettant un accès acceptable à Internet.

L'implantation du GPRS a un tel impact sur l'ensemble de l'architecture de réseau GSM, aussi bien le sous-système de commutation que le sous-système radio, que certains auteurs parlent de «passage du GSM au GPRS ». Si le sous-système radio UMTS marque bien dès l'origine une rupture franche avec son équivalent GSM, il en va différemment du sous-système de commutation du réseau GSM/GPRS. Celui-ci est en effet le fondement de la première génération du réseau UMTS. Implanter le GPRS dans le réseau GSM, c'est déjà faire un pas vers l'UMTS.

II.11 Conclusion

Le réseau GSM est considéré par les spécialistes comme une révolution dans le domaine des télécommunications. Cette deuxième révolution, après celle du réseau analogique Radiocom 2000, a su se faire apprécier du grand public en proposant une bonne qualité de service à un tarif accessible. Actuellement l'extension de la norme dans la bande spectrale des 1800 MHz qui se surajoute à la bande des 900 MHz laisse encore présager de beaux jours à ce système.

Le GPRS est alors apparu pour offrir plusieurs slots à un utilisateur ainsi qu'un partage dynamique de la ressource radio et un réseau fixe complètement adapté au transfert de paquet.

En dotant l'interface radio de schémas de modulation et de codage plus efficace, EDGE ouvre enfin le GSM aux systèmes de troisième génération. Les débits et plus généralement les services qu'offre E-GPRS respectent le cahier des charges de l'UIT des systèmes 3 G.

Ces évolutions vont vraisemblablement permettre de répondre aux exigences des utilisateurs rapidement et à un coût modéré. Néanmoins, à plus long terme, opérateurs, constructeurs et utilisateurs devront investir dans une véritable troisième génération, telle que 1 'UMTS qui sera représenté dans le chapitre suivant.

CHAPITRE III

LE RESEAU UMTS

III.1 Introduction

L'Universal Mobil Telecommunication System (UMTS) est la nouvelle norme de téléphonie mobile, appelée aussi plus généralement téléphonie de troisième génération ou 3G. Les puristes préfèrent utiliser le terme W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) qui reprend le nom de la technologie déployée en Europe et par certains opérateurs asiatiques.

III.2 Présentation générale du réseau UMTS

L'UMTS est le système de réseau mobile de 3ème génération, après le GSM qualifié de réseau mobile de 2ème génération.

Les techniques utilisées vont permettre d'atteindre des débits de 384 kbit/s et même 2 Mbit/s. Les réseaux UMTS seront utilisés pour le transfert de données, pour le multimédia, pour la voix.

Il est prévu deux types d'accès radio. Un accès par réseau terrestre (comme le GSM) et un accès direct par liaison satellite.

L'accès par réseau terrestre, en particulier, utilise :

Des fréquences de l'ordre de 2 GHz;

Les cellules UMTS doivent être plus petites que les cellules GSM;

Le débit maximal est fonction de la dimension de la cellule et de la vitesse de déplacement du terminal, par exemple le débit de 2 Mbit/s nécessite une très petite cellule (< 100 m environ) et que le mobile soit presque immobile durant la transmission.

L'UMTS est d'avantage un produit complémentaire du GSM qu'un produit concurrent.

III.2.1 Objectifs

Les principaux objectifs de L'UMTS sont entre autres :

Compatibilité de l'UMTS avec le GSM : qui comprend deux aspects

· La compatibilité en termes de services offerts à l'usager (les
services support, les télé-services et les services supplémentaire) ;

· la transparence du réseau vis-à-vis de l'usager.

Support du multimédia: (voix, visiophonie, transfert de fichiers ou navigation sur le Web).

Débits supportés: en tant que successeur du GSM, l'UMTS se devait de proposer une gamme de débits allant au-delà de l'offre de 2ème génération. Il a été décidé que l'UMTS serait conçu de manière à assurer les débits suivants :

· 144 kbit/s en environnement rural extérieur ;

· 384 kbit/s en environnement urbain extérieur ;

· 2 Mbit/s pour des faibles distances à l'intérieur d'un bâtiment couvert (c'est- dire mobilité réduite).

Classes de services de L'UMTS : afin de couvrir l'ensemble des besoins présents et futurs des services envisagés pour I'UMTS, quatre classes ont été définies afin de regrouper les services en fonction de leur contraintes respectives. Les principales contraintes retenues pour la définition des classes de services de I'UMTS sont les suivantes :

· Le délai de transfert de l'information ;

· La variation du délai de transfert des informations ;

· La tolérance aux erreurs de transmission.

Les quatre classes de services définies dans le cadre de I'UMTS peuvent se répartir en deux groupes comme illustre le tableau (III.1).

- Les classes A (ou conversation) et B (ou streaming) pour les applications à contrainte temps réel ;

- Les classes C (ou interactive) et D (ou background) pour les applications de données sensibles aux erreurs de transmission.

Tableau (III.1) : Récapitulatif des classes de services et leurs contraintes

Groupes

Classes

Services

Contraintes

Groupe des applications à contraintes temps réel

Classe A (conversation) services conversationnels

-Téléphonie -Visiophonie

-Jeux interactifs

Très sensibles au retard,

symétriques.

 

-Vidéo à la

demande

-Diffusion radiophonique -Transfert d'image

Sensibles au retard, très asymétriques.

Groupe des applications de données sensibles aux erreurs de transmission.

Classe C (interactive):

services interactifs

-Navigation Web -Transfert de

fichier FTP -Transfert d'E-mail -E-commerce

Sensibles au temps allé et retour, asymétriques.

 

- Transfert de Fax - SMS

Insensible au retard,

asymétriques.

 

III.2.2 Caractéristiques

Les caractéristiques minimales requises pour assurer le démarrage de l'UMTS portent sur trois domaines : Les services, le réseau d'accès radio et le réseau de transport.

Concernant les services on a :

-Possibilité de multimédia avec mobilité complète ;

-Accès efficace à l'Internet, aux Intranet et autres services supportés par le protocole Internet (IP) ;

-Haute qualité de parole, comparable à celle des réseaux fixes;

-Portabilité des services entre différents environnements UMTS ;

-Exploitation à l'intérieur, à l'extérieur et à grande distance des services GSM/UMTS un environnement sans coupure, y compris une itinérance complète entre réseaux GSM et UMTS ainsi qu'entre la composante de terre et la composante par satellite des réseaux UMTS.

Pour le réseau d'accès radio il doit y avoir:

-Une nouvelle interface radio différente de celle utilisée en GSM permettant l'accès à tous les services (technologie UTRA) ;

-Une bonne efficacité spectrale globale.

Pour le réseau de transport il doit y avoir :

-Evolution de la famille GSM, gestion de mobilité pour le contrôle d'appel incluant une fonctionnalité d'itinérance complète basée sur les spécifications GSM;

-Eléments de la convergence fixe/mobile.

III.3 Architecture de l'UMTS

L'architecture du système UMTS est similaire à celle de la plupart des réseaux de deuxième génération.

Le système UMTS est composé de différents éléments logiques qui possèdent chacun leurs propres fonctionnalités. Il est possible de regrouper ces éléments de réseau en fonction de leurs fonctionnalités ou en fonction du sous réseau auquel ils appartiennent.

Les éléments du réseau du système UMTS sont répartis en deux groupes. Le premier groupe correspond au réseau d'accès radio (RAN, Radio Access Network ou UTRAN, UMTS Terrestrial RAN) qui supporte toutes les fonctionnalités radio. Quant au deuxième groupe, il correspond au réseau coeur (CN, Core Network) qui est responsable de la commutation et du routage des communications (voix et données) vers les réseaux externes. Pour compléter le système, on définit également le terminal utilisateur UE (User Equipment) qui se trouve entre l'utilisateur proprement dit et le réseau d'accès radio. La figure (III.1) présente l'architecture globale du système UMTS.

USIM

Cu

ME

UE

Uu Iu

NodeB

NodeB

NodeB

NodeB

Iub

UTRAN

RNC

RNC

Iur

MSC /VLR

SGSN

CN

HLR

GGSN

Réseaux
externes

RTCP, PLMN...

Internet

Figure( III.1) : Architecture globale du réseau UMTS

Présentation du terminal utilisateur :

Le terminal utilisateur (UE) est composé des deux parties suivantes :

· Le terminal mobile (ME. Mobile Equipment) correspond au terminal radio utilisé pour les communications radio sur l'interface Uu.

· La carte USIM (L'UMTS Subscriber Identity Module) est une carte à puce qui stocke l'identité de l'abonné, les algorithmes et les clefs d'authentification, les clefs de chiffrement ainsi que certaines données relatives à l'abonnement de l'utilisateur qui sont nécessaires au niveau du terminal.

Le réseau d'accès radio (UTRAN) comporte les deux éléments suivants:

· Le Node B est un relais radio électrique qui assure la couverture d'une cellule pour les terminaux UMTS. Il convertit le flux de données entre les interfaces Iub 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 utilisé précédemment.

· Le RNC (Radio Network Controller) 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. Il assure la mobilité des usagers et la concentration du trafic. Le RNC est le point d'accès pour tous les services fournis par l'UTRAN au réseau coeur.

Le réseau coeur (CN)

· Le 3G-SGSN possède des fonctionnalités similaires au MSC/VLR mais est utilisé pour les communications paquet. La partie du réseau gérée par le SGSN est couramment appelée domaine paquet;

 


· Le 3G-GGSN possède des fonctionnalités 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
(RTCP) ou le Réseau Numérique à Intégration de Services (RNIS);

· Les réseaux paquet tels que le réseau Internet et d'autres réseaux de transmission de données;

 

Les spécifications de l'UMTS sont structurées de telle façon que les fonctionnalités internes des éléments du réseau ne sont pas définies en détails. En revanche, les interfaces entre les éléments logiques du réseau sont :

Les différentes interfaces ouvertes disponibles :

· L'interface Cu: Correspond à l'interface électrique entre la carte USIM et le terminal. Cette interface suit le format standard des cartes à puces.

· L'interface Uu : Il s'agit de l'interface air WCDMA qui est le sujet de la majeure partie de mon projet et grâce à laquelle le terminal utilisateur a accès à la partie fixe du système. Cette interface
est ouverte, ce qui permet à de nombreux constructeurs de terminaux de proposer leurs produits sans nécessairement développer leurs propres stations de base.

· L'interface Iu : Elle relie l'UTRAN au réseau coeur. Similaire aux interfaces A du GSM pour le domaine circuit et Gb pour le domaine paquet, l'interface Iu est ouverte et permet aux opérateurs d'employer des équipements UTRAN et CN de différents constructeurs.


· L'interface Iur qui permet le soft handover entre des RNC de différents constructeurs.


· L'interface Iub qui relie les Node B aux RNC. L'UMTS est le premier système do téléphonie mobile à proposer une interface ouverte à ce niveau. Cela permettra de dynamiser le marché et d'offrir la possibilité à de nouveaux constructeurs de se spécialiser dans le développement et la commercialisation de Node B.

Tableau (III.2): Comparaison de la technologie du réseau d'accès radio

UMTS-GSM

UMTS

GSM

Commentaire

UE (User Equipment)

MS (Mobile Station)

 

Node B

BTS (Base Transceiver Station)

Un Node B est moins autonome qu'une BTS

RNC (Radio Network Controller)

BSC (Base Station Controller)

Un RNC est plus

complexe qu'un BSC puisqu`il contrôle complètement les Node B

UMSC (UMTS MSC)

MSC( Mobile-service Switching Center)

 

RNS( Radio Network Subsystem)

BSS( Base Station Subsystem)

 

Interface Uu

Interface Um

Entre BTS et MS (NodeUE)

Interface Iub

Interface Abis

Entre BTS et BSC (Node B-RNC)

Interface Iu

Interface A

Entre BSC (RNC) et le réseau Coeur

Interface Iur

Inexistante

Entre deux RNC

 

III.4 Découpage en strates

Au cours de la modélisation du réseau UMTS, un découpage en strates (ou niveaux) a été introduit dans les spécifications du 3GPP. Ce découpage, conforme à l'esprit du modèle en couche OSI, permet de séparer des niveaux de services indépendants dans le réseau UMTS.

III.4.1 AS (Access STRATUM) et NAS (Non Access STRATUM)

D'une manière très générale, un réseau UMTS est constitué de deux niveaux principaux, appelés AS (Access Stratum) et NAS (Non Access STRATUM). Ce découpage en niveaux correspond à une répartition logique des fonctions du réseau (figure III.2).

Figure (III.2) : Access Stratum et non Access stratum.

L'Access stratum regroupe toutes les fonctions du réseau UMTS liées au réseau d'accès, dont, par exemple, les fonctions de gestion des ressources radio et de handover. Par définition, l'UTRAN est, en tant que réseau d'accès de l'UMTS, entièrement inclus dans l'Access stratum. Par ailleurs, l'Access stratum comprend

aussi une partie de l'équipement mobile (celle qui gère les protocoles de l'interface radio) ainsi qu'une partie du réseau coeur (correspondant à l'interface Iu).

Le tableau (III.3) montre la répartition des principales fonctions d'un réseau UMTS entre les différents niveaux

Tableau (III.3) : La réparation AS/NAS des fonctions de l'UMTS.

 

Access Stratum

Non Access Stratum

Gestion de la signalisation d'appel

 

X

Authentification

 

X

Fonction de handover

X

 

Gestion des services supplémentaires

 

X

Gestion des ressources radio

X

 

Chiffrement

X

(X)

Compression

X

(X)

Mécanismes de facturation

 

X

 

Le niveau non Access stratum regroupe toutes les autres fonctions du réseau UMTS, indépendantes du réseau d'accès, comme:

Les fonctions d'établissement d'appel, correspondant aux couches de protocole CC (Call CONTROL) pour les appels circuit et SM (SESSION MANAGEMENT) pour les appels paquet;

 

Les fonctions de gestion de la mobilité en mode veille, correspondant aux couches de protocole MM (Mobility MANAGEMENT) pour les appels circuit et GMM (GPRS Mobility MANAGEMENT) pour les appels paquet.

 

Certaines de ces fonctions sont présentes dans les deux niveaux. C'est le cas des mécanismes de compression et de chiffrement, fonctions décrites dans la norme comme étant intégrées dans l'Access stratum mais pouvant également faire partie du non Access stratum, d'une manière optionnelle.

III.4.2 Les liens entre AS et NAS

L'Access stratum agit en fait comme un fournisseur de service vis-à-vis du non Access stratum.

Par exemple, lors de l'établissement d'une communication, l'Access stratum est chargé, sur demande du non Access stratum, d'établir les connexions de signalisation et les canaux de transmission dans le réseau d'accès, en fonction du type d'appel et des attributs de qualité de service négociés au niveau non access stratum entre le mobile et le réseau.

Un certain nombre de liens, les SAP (Services Access Point), ont été définis entre les couches NAS et AS, dans le terminal et dans le réseau coeur. Ces SAP permettent de classer les interactions entre le non Access stratum et l'Access stratum, suivant la nature du service offert ou demandé. Ces points d'accès sont au nombre de trois: GC (General CONTROL), NT (Notification) et DC (Dedicated CONTROL), figure (III.3).

AS

GC Nt DC

Figure (III.3): Points d'accès entre Access stratum et non Access stratum.

III.5 La structure en couches du réseau

La structure en couches du réseau UMTS pour les appels circuit est présentée par la figure (III.4). Les couches de transport TCAP, SCCP et MTP utilisées dans le réseau coeur sur les interfaces C, E, F sont identiques au GSM. La couche applicative MAP de l'UMTS est une évolution par rapport aux nouveaux services définis dans le cadre de l'UMTS. Sur la partie réseau d'accès, de nouveaux protocoles ont été définis.

Figure (III.4): l'architecture en couches des appels circuit.

Le plan de transmission des données usager des services en mode paquet est présenté par la figure (III.5). Comme pour les services en mode circuit, les couches transport du réseau coeur entre le SGSN et GGSN sont inchangées.

Figure (III.5): Le plan usager PS.

La signalisation appartenant à la couche NAS du réseau, c'est-à-dire les couches CC et MM, pour les appels circuit, et SM et GMM, pour les appels paquet sont également identiques à celle utilisées en GSM, à quelques évolution (dues à l'introduction de nouveau service) prés.

III.6 Les Protocoles de l'interface radio

Les protocoles de l'interface radio sont indispensables à l'établissement, à la reconfiguration et au relâchement des services support radio, tant en mode FDD qu'en mode TDD. L'architecture globale des protocoles de l'interface radio est présentée dans la figure (III.6), elle est composée de plusieurs niveaux.

Figure (III.6) : Vue en couche de l'interface radio de l'UTRAN.

Niveau 1

Représente la couche physique de l'interface radio

Réalise notamment :

- codage canal;

- entrelacement;

- modulation;

- adaptation de débit;

- contrôle de puissance.

Niveau 2

RLC « Radio Link Control » transfert fiable de données en point à point

MAC « Medium Access Control »

- multiplexage de différents flux de données issus d'un même utilisateur sur un canal de transport unique

- Multiplexage de flux de données issus d'utilisateurs différents sur un canal de transport commun;

PDCP « Packet Data Convergence Protocol »;

- Assure l'indépendance de l'UTRAN vis à vis des protocoles de transport réseau;

- Compression d'en-tête BMC « broadcast/multicast control »;

- diffusion de message sur l'interface radio;

- exemple : service type SMS (GSM).

Niveau 3

RRC « radio ressource control »;

- Gère les ressources radio;

- Dispose de fonctions de contrôle de l'ensemble des couches;

- Analogue de la couche RR du GSM (mais couvre domaine circuit et domaine paquet).

III.7 Les canaux - vue globale

On présente trois types de canaux

III.7.1 Canaux logiques

- correspondent aux différents types d'information véhiculés par les protocoles radio de l'UTRAN;

- unidirectionnels ou bidirectionnels;

- canaux offerts aux couches utilisatrices du niveau 2;

- canaux logiques de contrôle ? plan contrôle ? signalisation; - canaux logiques de trafic ? plan usager? données usager.

III.7.2 Canaux de transport

- n'existent pas en GSM et GPRS;

- canaux offerts aux couches utilisatrices du niveau 1;

- caractérisent le format de transmission des données sur la voie radio; - représentatifs de la qualité de service requise pour un radio ;

- unidirectionnels.

Il existe deux types de canaux de transport

· Canaux de transport dédiés : DCH ? 1' « dedicated channel ».

· Canaux de transport communs:

- BCH ? « broadcast channel »;

- PCH I- « paging channel »;

- RACH 1' « random access channel »; - FACH ? « forward access channel »; - DSCH I- « downlink shared channel ».

III.7.3 Canaux physiques

- caractérisés par les codes de canalisation et de brouillage, une paire de porteuses, et une phase relative pour la voie montante;

- unidirectionnels.

Il existe plusieurs types des canaux physiques

· P-CCPCH: Le canal Primary CCPCH (Primary Common Control Physical Channel) est le canal physique qui transporte le canal BCH;

· S-CCPCH: Le canal physique Secondary CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel) supporte deux canaux communs de transport: le canal FACH et le canal PCH. Ces deux canaux peuvent partager le même canal CCPCH secondaire ou utiliser deux canaux physiques distincts;

· DPDCH: (Dedicated Physical Data Channel). Le canal physique DPCH est en fait composé de deux sous-canaux physiques: le DPDCH et le DPCCH. Le DPDCH est utilisé pour véhiculer toutes les données en provenance des couches de protocole supérieures;

· PRACH: (Physical Random Access Channel). Le canal logique RACH s'appuie sur le canal physique PRACH.

· PDSCH: (Physical Downlink Shared Channel). Le canal logique DSCH s'appuie sur le canal physique PDSCH.

III.8 DESCRIPTION DE L'UTRA

L'interface radioélectrique entre le mobile et le Node B peut présenter deux types de solutions CDMA (Code Division Multiple Access) :

- une interface W-CDMA en FDD {Frequence Division Duplex);

- une interface TD-CDMA en TDD (Time Division Duplex).

La bande de fréquences réservée à l'UMTS est divisée en plusieurs sous bandes selon le mode de fonctionnement :

- 1920- I 980 MHz pour la voie montante du FDD;

- 2 110- 2170 MHz pour la voie descendante du FDD;

- 1 900-1 920 MHz et 2 010 -2 025 MHz pour le TDD.

En FDD, les voies montantes et descendantes sont affectées à deux bandes de fréquences distinctes, espacées de 190 MHz.

En TDD, les voies montantes et descendantes sont multiplexées temporellement sur une même porteuse.

Pour chaque mode de fonctionnement, la bande de fréquence est divisée en canaux radio de 5 MHz.

Dans la bande de fréquence de 5 MHz, le débit utile par canal est égal à 384 kbit/s en W-CDMA et à 144 kbit/s en TD-CDMA.

L'augmentation de débit s'obtient en allouant plusieurs canaux en W-CDMA (un canal correspond à un code) ou une bande de fréquence plus large en TDCDMA (20 MHz pour un débit de 2 Mbit/s), figure (III.7).

WCDMA

TD-CDMA

Les utilisateurs accèdent au canal par un code SPA (Séquence Pseudo

Le canal est partagé

Aléatoire) temporellement entre les

sens montant et

4.8MHz

Bande allouée

Sens Montant

5 MHz

1900 MHz

2010 MHz

4.6 MHz

1980 MHz

Debit SPA Chip
rate=3.84 Mbit/s

Bande allouée

190 MHz

5 MHz

2110 MHz

2025 MHz

1920MHz

Bande allouée

Sens descendant

5 MHz

Debit SPA Chip rate=3.84 Mbit/s

descendant

2170 MHz

Figure (III.7) : Plan de fréquence de l'UMTS

III.8.1 Mode FDD

Le concept W-CDMA (Wide bande CDMA) utilise exactement ce mode avec une technique d'étalement de spectre par séquence directe (DS-CDMA).

Ce mode consiste à faire un multiplexage en fréquence des deux sens de transmission :

Chaque sens de transmission utilise une porteuse distincte. Cette technique
utilise donc un débit chips (3,84 Mchip/s), et une bande de fréquences

importante (4,4 à 5 MHz), ce qui permet de bénéficier d'une bonne diversité de fréquences dans la plupart des environnements, et de s'affranchir des évanouissements liés aux trajets multiples.

Le W-CDMA utilise un facteur d'étalement variable (de 4 à 256) permettant de supporter facilement une large gamme de débits de services, avec une bonne qualité. Le débit maximal supporté par un seul code est de 384 kbit/s. Pour les services à plus haut débit, plusieurs codes sont alloués à un même utilisateur et transmis simultanément sur le même canal radio (par exemple 5 codes sont nécessaires pour supporter le 2 Mbit /s. Ce mode est bien adapté pour tout type de cellule mais n'est pas très souple pour la gestion de trafic asymétrique.

III.8.2 Mode TDD

Le concept TD/CDMA utilise une technique d'accès multiple mixte, comprenant une composante TDMA, et une composante d'étalement de spectre à l'intérieur des intervalles de temps «time slot» avec séparation par codes.

Ainsi, un canal de trafic est défini par une fréquence (porteuse), un intervalle de temps, et un code. Grâce à l'étalement de spectre CDMA, des paquets se distinguant par leurs codes d'étalement peuvent être transmis simultanément dans un intervalle de temps. Ces codes peuvent être alloués à différents utilisateurs ou à un même utilisateur selon le débit de service souhaité et offrent ainsi une bonne qualité de service. Ainsi, le concept TD/CDMA offre une large gamme de débits de services allant jusqu'à 2 Mbit/s, en allouant plusieurs codes ou plusieurs intervalles de temps à un même utilisateur.

III.8.3 Comparaison entre le mode FDD et le mode TDD:

Le tableau suivant donne la comparaison des deux modes FDD WCDMA et TDD TD/CDMA.

Tableau (III.4): Comparaison des modes FDD/WCDMA et TDD/CDMA

Critère de
comparaison

Mode FDD W-CDMA

Mode TDD TD/CDMA

Déploiement
et couverture.

Plus particulièrement adapté Aux grandes cellules.

Limité aux petites cellules à cause de synchronisation et de temps de garde.

Services
supportés

Plus particulièrement adapté aux services symétriques (voix et services de données à bas et moyen débit en mode symétrique).

Plus particulièrement

adapté aux services de données en mode paquet, à haut débit et asymétrique.

Contrôle de
puissance

Contrôle rapide nécessaire pour l'interférence intra cellulaire.

Contrôle lent suffisant grâce à la détection conjointe.

Transfert
intercellulaire

Le « soft handover » est obligatoire.

Transfert inter cellulaire normal utilisé dans tous les cas

Complexité du
terminal

La fonction critique est celle qui assure le désétament du signal (récepteur RAKE). Sa complexité varie proportionnellement avec le débit chip et dépend également des caractéristiques de propagation (nombre de multi trajet, vitesse de variation du canal, etc...)

La fonction critique est la détection conjointe, dont la complexité croit avec le nombre de code transmit simultanément sur le même slot. La complexité croit avec le débit de service, et dépend également des caractéristiques de propagation (retard lié aux multi trajets.

Synchronisation
entre stations
de base

Aucune synchronisation n'est requise

Synchronisation au niveau trame requise. Elle devrait être réalisée sans recours au

 

 
 

GPS.

 

La couverture d'une cellule

La couverture d`une cellule

 

varie fortement en fonction du

est à peu près indépendante

 

trafic supporté. La

du trafic supporté, grâce à

 

planification doit donc prendre

la détection conjointe.

Planification

en compte couverture et

Couverture et capacité

 

capacité dans un même temps.

peuvent être planifiés en

 

Pas de plan de fréquence.

deux temps. Plan de fréquence nécessaire.

 

III.9 Le Handover

Dans un système W-CDMA, on distingue le cas où le mobile reste dans la zone couverte par une station de base en changeant juste de secteur (softer handover) et le cas où il change de station de base (soft handover).


· Softer handover

Durant le softer handover, le mobile étant en communication avec une seule station de base, il utilise simultanément deux canaux radio. Dans le sens descendant, deux codes d'étalement sont activés pour que le mobile distingue les signaux issus des deux secteurs. Dans le sens montant, les signaux émis par le mobile sont reçus par les deux secteurs de la station de base et dirigés vers le même récepteur. Ils sont donc combinés au niveau de la station de base, figure (III.8).

Downlink: codes différents par secteur.

Uplink: combinaison au niveau de la station de base. Une seule procédure de contrôle de puissance

 

Le même signal est envoyé par les deux secteurs au mobile

Figure (III.8): Softer handover

. Soft handover

Le mobile est cette fois dans la zone de couverture qui est commune à deux stations de base. Les communications utilisent deux canaux différents, un pour chacune des deux stations. Du côté du mobile, il n'y a pas de différence avec un softer handover. Dans le sens montant, par contre, les données sont combinées au niveau du contrôleur de réseau radio (RNC) et non plus de la station de base. Cela permet de sélectionner la meilleure trame parmi celles qui sont reçues, après chaque période d'entrelacement, toutes les 10 à 80 ms, figure (III.9).

Notons qu'à l'inverse du softer handover, durant le soft handover deux procédures de contrôle de puissance sont actives au même instant pour un mobile.

Downlink: codes différents par secteur.

Uplink: combinaison au niveau du réseau coeur, par trame Une procédure de contrôle de puissance différente pour chaque site radio.

 

 

Le même signal est envoyé de deux stations de base au mobile (excepté les commandes de contrôle de puissance)

 

Figure (III.9): Soft Handover

On considère que 20 à 40% des mobiles d'une zone sont en situation de soft Handover. Il est indispensable de prendre en compte ces connexions supplémentaires dues au soft handover lors de la phase de dimensionnement du réseau.

Il existe deux autres types de handover, figure (III.10).

· Les hard handovers inter-fréquence

Permettant à un mobile de passer d'une fréquence WCDMA à une autre;

· Les hard handovers inter-systèmes

Permettant à un mobile de passer d'un système à un autre, comme du WCDMA en mode FDD au TD-CDMA en mode TDD ou au GSM.

Hard handover ~ soft handover.

Figure (III.10): Hard ET Soft Handover

III.10 Planification du réseau radio

La planification d'un réseau radio WCDMA, à savoir le dimensionnement, la planification détaillée de la capacité et de la couverture ainsi que l'optimisation sont nécessaires pour le bon fonctionnement du réseau UMTS.

L'objectif de la phase de dimensionnement est d'estimer le nombre de sites, le nombre de stations de base et leur configuration en fonction des besoins et des exigences de l'opérateur ainsi que de la propagation radio spécifique au type d'environnement. Ce dimensionnement doit scrupuleusement prendre en compte les exigences en termes de couverture, de capacité et de qualité de service de l'opérateur. La capacité et la couverture sont deux aspects étroitement liés dans les réseaux WCDMA et doivent par conséquent être considérés simultanément dans le dimensionnement.

Les phénomènes les plus importants remarquables dans la technique WCDMA de l'UMTS par opposition au réseau GSM sont: la respiration des cellules et le dynamisme de capacité.

Dans cette technique l'interférence est très importante à considérer car elle est inversement proportionnelle à la capacité et la couverture; d'où une rigueur sur la gestion de la puissance.

III.10.1 Objectifs de la planification de réseau radio

Les opérateurs et les constructeurs du système WCDMA doivent beaucoup tenir compte du rapport qualité-prix des équipements. Les objectifs de la planification de réseau sont de faire l'équilibre entre la capacité, la couverture, la qualité et le coût, et atteindre une conception optimale.

Bon rapport entre Couverture, Capacité, Qualité et Prix

Couverture Capacité Qualité Coût

Figure (III.11): Objectifs de la planification III.10.2 Dimensionnement

Le dimensionnement d'un réseau radio WCDMA est un processus qui permet d'estimer, à partir des besoins et des exigences de l'opérateur, le nombre d'équipements nécessaires ainsi que leur configuration. Il est courant de distinguer les trois catégories suivantes d'exigences définies chacune par différents paramètres, figure (III.11).

· Couverture

- Zones de couverture,

- Types d'environnement,

- Propriétés de propagation.

· Capacité

- Spectre disponible.

- Prévisions d'abonnés,

- Densité de trafic.

· Qualité de service

-Probabilité de couverture,

- Probabilité de blocage (taux de congestion),

- Débits utilisateur.

· Coût

-Minimiser le coût global de l'infrastructure du réseau.

Les principaux objectifs du dimensionnement sont de définir les bilans de puissance, la couverture, la capacité et d'estimer le nombre de sites, de stations de base, de RNC ainsi que le nombre d'équipements du réseau coeur nécessaires que ce soit dans le domaine circuit ou dans le domaine paquet; et ceci avec un meilleur coût.

Conditions de
Capacité

Conditions de
QoS

Conditions de
Couverture

Données
du site à couvrir et de
propagation radio

Dimensionnement

Estimation de NodeB
nécessaires

Configuration nécessaire
de NodeB

Figure(III. 12 ) :Processus de dimensionnement

III.11 Conclusion:

L'UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) représente une évolution majeure par rapport au GSM car il offrira des services de données plus variés : accès à l'internet à haut débit, vidéophonie en temps réel, transfert de fichiers, transmission d'images. Ce travail étudie l'UMTS dans sa totalité et présente les nouvelles terminologies utilisées : l'équipement usager, le réseau coeur qui gère les services offerts aux utilisateurs, le réseau d'accès radio UTRAN qui fait office de passerelle entre les deux et enfin les nouveaux services qui pourront être offerts. Il présente aussi les systèmes de téléphonies mobiles actuelles et leur évolution.

Pour que mon étude soit claire, j'ai essayé de faire une simulation sur le réseau UMTS qui sera représentée dans le chapitre suivant.

CHAPITRE IV

SIMULATIONS

ET

IMPLEMENTA TIONS

IV.1 Présentation générale

OPNET est un environnement graphique créé pour permettre de concevoir, étudier des réseaux numériques, et des protocoles de communication avec une grande flexibilité.

Il travaille sur toutes les couches du modèle OSI et permet de récupérer une grande quantité d'informations tant qu'on reste au niveau de granularité égale au paquet.

IV.2 Une modélisation orientée objet

OPNET supporte tous les types et toutes les technologies des réseaux. IV.2.1 Objet réseau

Rappelons tout d'abord qu'un réseau est un ensemble complexe constitué de matériels, logiciels et supports de transmissions, c'est à dire un ensemble de noeuds et de liens, interconnectés entre eux pour communiquer. OPNET dispose de deux types de noeuds - fixes (serveurs, stations de travail, routeurs...) ou mobiles (téléphones portables, satellites...) - et de trois types de liens - point à point, bus ou radio.

Lorsque le réseau devient complexe, il est décomposé en plusieurs sous réseaux, afin de simplifier sa visualisation et sa modélisation. La définition de la topologie d'un réseau se fait grâce à l'éditeur de projet (Project Editor) comme le montre la figure (IV.1).

Figure (IV.1) : Editeur de projet, visualisation de l'objet réseau

La figure (IV.1) montre un exemple de projet édité sous OPNET. On peut y voir la présence de nombreuses machines comme des serveurs (Server_A et Server_B), un nuage Internet qui simule le trajet emprunté par les informations lorsqu'elles transitent sur le réseau mondial, et des réseaux locaux (ISP_A et ISP_B.

IV.2.2 Objet noeud

Un noeud est formé d'un ensemble de blocs fonctionnels appelés modules

de processus qui peuvent être des processeurs, des files d'attentes, des générateurs, des émetteurs, des récepteurs ou bien des antennes. Ils sont liés entre eux par des connexions de type flux de paquets (pour le transport des données) ou de type fil statistique (pour la transmission de valeurs).

Les éléments précédents sont assemblés grâce à l'éditeur de noeuds (figure IV.2) appelé « Node Editor » afin de créer des éléments de réseau comme un routeur, un ordinateur, etc.

Figure (IV.2) : Exemple de noeud construit avec l'éditeur de noeuds

La figure (IV.2) montre un exemple de noeud à savoir un serveur Ethernet avec toutes les couches utilisées par celui-ci (Application, TCP, IP, etc....).

IV.2.3 Objet processus

Un processus définit le comportement d'un module appartenant à un noeud

construit à partir de l'éditeur de processus (Process Editor), il est décrit par un diagramme de transitions et d'états. Chacun de ces états est programmé en langage C ou C++.

La figure (IV.3) illustre un diagramme d'état à l'intérieur d'un processus.

Figure (IV.3) : Editeur de processus avec le diagramme d'état

Les états d'un modèle de processus sont de l'un des trois types suivants :

· état initial : état dans lequel se trouve un processus en début de simulation ;

· état forcé (vert) : état dans lequel un processus ne peut pas interrompre son activité durant la simulation c'est-à-dire qu'il exécute en une seule fois toutes ses lignes de code ;

· état non forcé (rouge) : état dans lequel un processus exécute une première partie de son code C, s'interrompt pour passer le relais au noyau de simulation ou à un autre module puis redevient actif lorsqu'il reprend la main.

IV.3 Résumé et principe de développement d'un projet

Lorsque l'on crée un nouveau projet, il faut dans un premier temps définir les noeuds qui vont intervenir dans le réseau (ordinateurs, routeur, etc....). Chacun de ces noeuds, comme vu précédemment, va être composé de différents modules (files d'attente, générateur de paquets, etc....) qui eux même sont composés d'un processus réalisé avec un diagramme d'état. Ce diagramme d'état doit définir quel état prend le processus (donc le module) en fonction de l'évènement (arrivée d'un paquet par exemple) généré par le noyau de simulation.

IV.4 Le réseau UMTS modélisé sous Opnet

L'architecture de réseau UMTS est divisée en trois parties principales la figure (IV.4).

Le terminal utilisateur (UE);

Le réseau d'accès radio (UTRAN); Le réseau coeur (CN).

UTRAN

Figure (IV.4) : Représentation du réseau UMTS sous forme d'Opnet.

IV.5 Modèles des Noeuds

Umts_station (General client node)

Ce noeud inclut le terminal utilisateur et la fonctionnalité de trafic générique, il peut envoyer et recevoir le trafic d'autres noeuds Umts_station servis par le même SGSN.

Umts_wkstn (General Workstation node)

Ce noeud inclut le terminal utilisateur et la fonctionnalité de demande (client/serveur).

Umts_server (General Server node)

Ce noeud inclut le terminal utilisateur et la fonctionnalité de demande (client/serveur).

Umts_node_b

Ce noeud est une partie de l'UTRAN

Umts_rnc

Ce noeud est une partie de l'UTRAN.

Umts_sgsn

C'est une fonction comme le noeud (réseau coeur), mais ne fait aucun routage

IP.

Il achemine des paquets vers des noeuds Umts_station, exclusivement.

Umts_ethernet_slip8_gtwy (General gateway node) Ce noeud inclut SGSN et GGSN.

Il est utilisé seulement dans les réseaux avec Umts_wkstn et les noeuds Umts_server, non utilisé avec les noeuds Umts_station.

.

IV.6 Architecture du réseau UMTS

On montre l'architecture de réseau UMTS modélisée sous Opnet dans la figure (IV.5) Cette section décrit les noeuds, y compris leur processus et des modèles de noeud.

Figure (IV.5) : Architecture du Réseau UMTS

IV.6.1 Le terminal utilisateur (UE)

Dans notre réseau, il existe trois types de terminal utilisateur: Simple mobile station (Umts_station);

Advanced Workstation (Umts_wkstn);

Advanced servers (Umts _server).


· Objet noeud

Figure (IV.6) : Noeud Opnet pour l'Umts_station

L'umts _station inclut la couche d'application qui nourrit la couche GMM, figure (IV.6).

L'umts_ wkstn et l'umts_server incluent tout le protocole TCP (UDP)/ IP, figure (IV.7).

Ce résultat présente deux graphes.

Premier graphe pour la page : par exemple la page web.

Deuxième graphe pour l'objet : par exemple un site web en transfère de fichiers.

IV.8 Conclusion:

Au cours de ce chapitre, j'ai fait une présentation rapide du logiciel OPNET, puis, au travers d'un exemple d'un réseau cellulaire UMTS nous avons montré qu'OPNET est très efficace en matière de dimensionnement de systèmes de communication numérique.

V.1 Conclusion

Ce projet m'a permis d'étudier en générale l'évolution de la télécommunication mobile, en se basent sur les réseaux cellulaires les plus importants qui sont: le GSM et l'UMTS.

De ce fait, j'ai décrit la naissance du portable et le chemin évolutif de la téléphonie mobile: la première génération de téléphonie mobile, caractérisée par une modulation analogique, la seconde caractérisée par une modulation numérique et une normalisation internationale mais régionale et la troisième génération de téléphonie mobile: l'internationale mobile télécommunication IMT 2000.

Concernant la deuxième génération, j 'ai étudié le réseau cellulaire GSM, qui a connu un très grand succès avec la téléphonie mobile et a naturellement évolué vers le transfert de données dont le GPRS.

En ce dernier ne constitue pas à lui tout seule un réseau mobile à part entière, mais une couche supplémentaire rajoutée à un réseau GSM existant.

Pour la troisième génération, on a la norme UMTS qui a hérité d'un certain nombre de concepts et d'éléments d'architectures de la norme GSM, d'où je me permets de dire que l'UMTS est le complémentaire du GSM non pas son successeur.

J'ai simulé un model d'un réseau UMTS pour voir les phénomènes qui entrent en jeu durant la transmission à l'aide d'un simulateur très performant qui est OPNET qui est capable de simuler tout les réseaux numériques dont leur unité est le paquet.

En plus, j'ai connu grâce a cette étude d'autres types de réseaux de dernière génération qui peuvent offrir un débit de 100 Mo/s.

3rd Generation Partnership Project

Access Grant Channel

Advanced Mobile Phone System

Acces s Stratum

Asynchronous Transfert Mode

Authentification Center

Broadcast Control Channel

Broadcast Channel

Broadcast Multicast control

Base station controller

Base Station Sub-System

Base Transceiver Station

Call Control

Code Division Multiple Access

Communication Management

Core Network

Common Packet Channel

Circuit Switch

Dedicated Control

Dedicated Control Channel

Digital Cellular System

Digital Enhanced Cordless Telecommunication Dedicated Physical Control Channel

Dedicated Physical Data Channel

Direct Sequence Code Division Multiple Access Downlink Shared Channel

Enhanced Data rate for GSM Evolution Enhanced GPRS

Equipment Identity Register

Forward Access Channel

Frequency Correction Channel Frequency Division Duplex

Frequency Division Multiple Access

General Control

Generation Gateway GPRS Support Node

GPRS Mobility Management

Gateway Mobile- service Switching Center General Packet Radio Service

Global System for Mobile Communication GPRS Tunnelling Protocol

Home Location Register

V.3 Abréviations

Abréviations

3GPP AGCH AMPS AS

ATM

AuC

BCCH BCH

BMC

BSC

BSS

BTS

CC

CDMA CM

CN

CPCH CS

DC

DCH

DCS

DECT DPCCH DPDCH

DS-CDMA

DSCH EDGE EGPRS EIMI -

EIR

FACH FCCH FDD

FDMA

FM -

GC

GGSN GIWN -

GMM

GMS -

GMSC GPRS GSM

GTP

HLR

IMEI IMS IMSI IMT IP

ISDN

KBPS -

LA

LAP L'ART

MAC MAP ME

MIC -

MM MS

MSC MSISDN

MTP NAS Nt

NMT Node B

NSS OAM

OMC OSI OSS PCH PC

PCU P-CCPCH

PDP PDCP

PDSCH

PLMN

PMR PRACH

PSTN

QoS RACH

RAN RLC RNC RNIS RNS RR

RRC RTCP

SAP

SACCH

SCCP SCCPCH

SCH

SDCCH

SFN

SGSN SIM

SIR

SM

SMS

SMG SS7

SSTM TACS TCAP TCH

TDD

TDMA UE

UIT

UMSC UMTS USIM UTRAN

UTRA VLR

WCDMA

WLAN

Slow Associated Control Channel Signaling Connection Control Part Secondary Common Control Physical Channel

Synchronization Channel

Stand-alone Dedicated Control Channel

System Frame Number

Serving GPRS Support Node Subscriber Identification Mobile Signal to Interference Ration Session Management

Short Message Service

Subtechnical Committed Group

Signalling System CCITT N°7

Sub-system Transfer Message

Total Access Communication System Transaction Capabilities Application PART Traffic Channel

Time Division Duplex

Time Division Multiple Access

User Equipment

Union International Telecommunication UMTS MSC

Universal Mobile Telecommunication System UMTS Subscriber Identity Module

UMTS Terrestrial Radio Access Network UMTS Terrestrial Radio Access

Visitor Location Register

Wideband Code Division Multiple Access Wireless Local Area Network

V.4 Index d'image

Figure (I.1) : Thomson CSF, 1973 .11

Figure (I.2) : Radiocom 2000, 1987 12

Figure (1.3) : Poctel 1989, et GSM 2001 13

Figure (1.4) : Bi Bop, 1995 16

Figure (II.1) : Architecture globale du réseau GSM .34

Figure (II.2) : Fonctions du système GSM 38

Figure (II.3) : Le routage d'une communication 44

Figure (II.4) : Canal descendant et canal ascendant ..47

Figure (II.5) : Type de multi trame 48

Figure (II.6) : Système cellulaire 50

Figure (II.7) : La transmission des données en GPRS 61

Figure (III.1) : Architecture globale du réseau UMTS 69

Figure (III.2) : Access Stratum et non Access stratum ..73

Figure (III.3) : Points d'accès entre Access stratum et non Access stratum .76

Figure (III.4) : l'architecture en couches des appels circuit ..76

Figure (III.5) : Le plan usager PS ..77

Figure (III.6) : Vue en couche de l'interface radio de l'UTRAN ..78

Figure (III.7) : Plan de fréquence de l'UMTS ...83

Figure (III.8) : Softer handover .87

Figure (III.9) : Soft Handover 88

Figure (III.10) : Hard ET Soft Handover 89

Figure (III.11) : Objectifs de la planification .91

Figure (III.12) : Processus de dimensionnement 92

Figure (IV.1) : Editeur de projet, visualisation de l'objet réseau 96

Figure (IV.2) : Exemple de noeud construit avec l'éditeur de noeuds 97

Figure (IV.3) : Editeur de processus avec le diagramme d'état .98

Figure (IV.4) : Représentation du réseau UMTS sous forme d'Opnet ..99

Figure (IV.5) : Architecture du Réseau UMTS ..101

Figure (IV.6) : Noeud Opnet pour l'Umts_station .102

Figure (IV.7) : Noeud Opnet pour l'Umts_wkstn et l'umts_server 103

Figure (IV.8) : Processus Opnet pour l'umts_rlc_mac ..103

Figure (IV.9) : Noeud Opnet pour le Node B .104

Figure (IV.10) : Processus Opnet pour l'Umts_node_b .105

Figure (IV.11) : Noeud Opnet pour le RNC 105

Figure (IV.12) : Processus Opnet pour l'Umts_rnc 106

Figure (IV.13) : Noeud Opnet pour un réseau Coeur «simple SGSN» 106

Figure (IV.14) : Noeud Opnet pour un réseau Coeur «Generic gateway» .107

Figure (IV.15) : Processus Opnet pour le réseau coeur ..107

Graphe (IV.1) : Nombre totale de requêtes garanties 108

Graphe (IV.2) : Temps moyen du nombre total de requêtes garanties ..109

Graphe (IV.3) : Temps moyen de nombre total de requêtes garanties 110

Graphe (IV.4) : Les débits du trafic reçu et transmis d'un client http 111

Graphe (IV.5) : Densité de probabilité de http. Temps de réponse de l'objet 112

Graphe (IV.6) : Temps moyen de l'Http. Temps de réponse de l'objet .113