Memoire Online - Etude portant sur la transmission des signaux multimedia dans un reseau de telephonie mobile de la 3ème generation « cas de routage de données et de la voix dans le réseau UMTS »

L'UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) est un système de communication mobile sans fil capable d'être le support, en particulier, de services multimédias, et de combiner d'éléments terrestres et satellitaires.

Ce standard est venu satisfaire le besoin et la demande exigeante des utilisateurs en termes de services offerts. En effet, les usagers de nos jours ne se contentent plus des services vocaux et aux sms mais plutôt désirent accéder à l'information, quelque soit son type, n'importe où et n'importe quand, d'une manière rapide et efficace.

La mise en place d'un réseau UMTS va permettre à un opérateur de compléter son offre existante par l'apport de nouveaux services en mode paquet complétant ainsi les réseaux GSM et GPRS. Le réseau GSM couvre les fonctionnalités nécessaires de type Voix en mode circuit, le réseau GPRS apporte les premières fonctionnalités à la mise en place de services de type Data en mode paquets, et l'UMTS vient compléter ces deux réseaux par une offre de services Voix et Data complémentaires sur un mode paquet.

L'UMTS est ainsi une extension du GPRS et fonctionne également en mode paquet. La vitesse de transmission offerte par les réseaux UMTS atteint 2 Mbits/s. L'infrastructure UMTS permet l'élargissement des fréquences ainsi que la modification du codage des données. Mais les investissements en architecture réseau sont conséquentes puisque le mode de communications entre les terminaux 3G et les BTS (appelé NodeB) est différent. Les modifications matérielles sont très importantes.

Avec l'UMTS on pourra surfer sur Internet, envoyer et recevoir des mails avec des photos en pièces jointes voire des clips vidéo. Le e-commerce va aussi connaître un nouvel essor grâce au paiement sécurisé.

Pour répondre aux besoins des utilisateurs, les objectifs suivants ont été fixés pour l'UMTS lors de la phase de recherche et de normalisation de ce standard.

· Tout d'abord l'UMTS doit supporter des services multimédias large bande qui peuvent atteindre un débit de 2 Mbits/s ;

· Il doit, en plus assurer une comptabilité avec les systèmes 2G en terme de services offerts aux usagers ;

· Un autre objectif très intéressant consiste à offrir un service de mobilité universelle (international Roaming), dépassant les limitations dues à la multiplicité des systèmes et des réseaux ;

Le réseau UMTS se divise en deux domaines : le domaine équipement utilisateur (UE : User Equipment) et le domaine infrastructure.

Le domaine infrastructure comporte deux parties : le réseau d'accès radio (RAN : Radio Access Network) et le réseau coeur (CN : Core Network).

1) L'Equipement mobile (ME : Mobile Equipment) : c'est un terminal radio utilisé pour les communications à travers l'interface Um.

2) L'USIM (UMTS Subscriber Identity Module) : c'est l'équivalent de la carte SIM en GSM. Il fournit l'identité de l'abonné, établit les algorithmes d'authentification, enregistre les clefs d'authentifications et de cryptage.

C'est l'équivalent de la BTS dans le réseau GSM. Ses fonctionnalités principales sont :

Il est aussi responsable du contrôle de puissance en boucle fermée. L'interface mobile/Noeud B est dite interface Um.

Le RNC contrôle les ressources radio de l'UTRAN et gère le protocole RRC (Radio Ressource Control) définissant les procédures et les messages entre le mobile et l'UTRAN. Il est en liaison avec le réseau coeur pour la transmission en mode paquet à travers l'interface lu-PS et en mode circuit à travers l'interface lu-CS.

Le RNC directement lié à un Noeud B par l'interface lub est un CRNC (Controlling RNC), il gère :

- Le contrôle d'admission et allocation des codes pour les nouveaux liens radio qui s'établissent dans les cellules gérées.

Lorsqu'un mobile est lié à des Noeud B contrôlés par différents RNC, deux types de RNC se distinguent :

Le SRNC est le RNC qui fournit la connexion lu pour le mobile vers le réseau coeur. Lorsque le mobile est en situation de soft handover, plus qu'une liaison lub et une liaison lur sont établies. Seul le SRNC fournit l'interface lu vers le CN. Les autres ont pour fonction principale de router les données de façon transparente. Ces RNC sont appelés alors DRNC. La figure suivante illustre le SRNC et le DRNC.

Le réseau coeur est responsable de la commutation et du routage des communications (voix/données) dans le même réseau ou vers les réseaux externes.

Ce domaine permet de gérer les services temps réels tels que les appels téléphoniques, la visioconférence et les applications multimédias. Ces applications exigent un temps de transfert très réduit. Le débit supporté par ce mode peut arriver jusqu'à 384 Kbit/s.

L'infrastructure pour le domaine circuit s'appuie sur un MSC/VLR (Mobile Switching Center/Visitor Location Register) correspondant à un commutateur téléphonique auquel est rattachée une base de données pour les abonnés visiteurs de la zone de service de ce MSC et sur un GMSC (Gateway MSC) pour la commutation vers les réseaux externes tel que les RTCP (Réseau Téléphonique Commuté Public).

Ce domaine traite les services non temps réels tels que le téléchargement des fichiers ou des E-mails, les jeux en réseau, la navigation sur le web... Le temps de transfert pour ce type d'applications n'est pas important. Le débit pourra atteindre 2 Mbit/s.

Le réseau IP est basé sur un SGSN (Serving GPRS Support Node) jouant le même rôle que le MSC/VLR en mode paquet et un GGSN (Gateway GPRS Support Node) pour faire transiter les données vers les réseaux externes de transmission de données, et négocie la qualité de service réseau.

On trouve le HLR (Home Location Register), comme un élément commun aussi bien pour le domaine de paquet que pour le domaine de circuit. Il s'agit d'une base de données contenant les profils et toutes les informations concernant les données.

La spécificité à signaler dans le cadre de l'UMTS est que les interfaces sont ouvertes c'est-à-dire que les équipements de tous les constructeurs peuvent fonctionner et s'interopérer à condition qu'ils respectent la norme.

1. Interface Um : C'est l'interface radio de l'UMTS. A travers cette interface les mobiles peuvent accéder au réseau ;

2. Interface lub : c'est l'interface entre le Node B et le RNC, c'est l'équivalent de l'interface A-bis en GSM ;

3. Interface lur : C'est une nouvelle interface entre deux RNCs et elle est nécessaire pour le mécanisme du soft handover ;

4. Interface lu : Cette interface permet à l'UTRAN de communiquer avec le réseau coeur. On distingue l'interface lu-CS, entre RNC/domaine circuit et l'interface lu-PS reliant le RNC avec le SGSN.

L'interface radio de l'UMTS doit être conçue pour supporter une large gamme de services différents, avec notamment des débits supérieurs à ceux offerts par le GSM. Les systèmes de 3^ème Génération devront offrir des services à accès circuit ou paquet, avec un débit maximal dépendant de l'environnement et de la vitesse des mobiles. Des services à débit variable et asymétrique (entre liaison montante et descendante) devront être supportés de façon efficace.

En réalité, deux techniques d'accès sont utilisées avec l'UMTS, le W-CDMA et le TD-CDMA. Il est important de comprendre les caractéristiques de base de l'interface radio pour bien planifier un réseau W-CDMA.

La couverture globale de la planète s'organise en une structure cellulaire hiérarchisée qui assurera l'itinérance mondiale. Au sommet de la hiérarchie se retrouvent les satellites qui assurent une couverture sur l'ensemble de la planète.

Le réseau radio terrestre s'occupe de la couverture terrestre selon une répartition hiérarchisée pico, micro et macro cellule. La composante satellitaire sert pour le roaming mondial et pour compléter la couverture par l'UTRAN.

Les pico cellules sont conçus pour la couverture des bâtiments c'est-à-dire en environnement indoor, les microcellules pour les zones urbaines et suburbaines denses et les microcellules assurent la couverture en environnement rural.

Les bandes de fréquences allouées pour l'IMT (International Mobile Telephone) sont 1885 - 2225 MHz et 2110 - 2200 MHz. L'allocation se fait selon le mode duplexage utilisé.

L'UMTS est un système cellulaire de troisième génération qui fait partie de la famille IMT 2000 et dont les spécifications techniques sont développées au sein du 3GPP. L'architecture de ce système est composée essentiellement d'un réseau terrestre d'accès radio, l'UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network) et d'un réseau coeur dérivé de celui spécifié pour la phase 2+ du GSM. L'UTRAN utilise deux modes d'accès fondés sur la technologie CDMA large bande :

Pour ce mode, on sépare les fréquences d'émission et de réception. Ainsi, le mobile et le réseau peuvent émettre simultanément et de façon indépendante. Un inconvénient majeur de cette technique consiste à réserver un écart duplex entre les bandes montantes et les bandes descendantes pour séparer les étages de transmission et de réception radio et éviter les brouillages.

En FDD, on alloue la même bande pour les deux sens de communications. Cette technique d'allocation est mieux adaptée pour les applications symétriques. En revanche, lorsque les débits sont asymétriques, ce mode d'attribution n'est pas du tout optimal car elle engendre du gaspillage en termes de spectre.

En TDD, une seule fréquence est utilisée pour les deux sens de communication. Donc nécessairement, les émissions et les réceptions sont séparées dans le temps. Cette technique est efficace en cas de limitation du spectre.

Le mode de TDD possède des adeptes. De plus, des propositions techniques concernant le mode TDD ont été générées du fait qu'un certain nombre d'autorités nationales allocataires de spectre, ont alloué pour chaque opérateur candidat à l'achat d'une licence UMTS en mode FDD, un bout de bande 5 MHz complémentaire supposé servir le TDD.

Les deux modes d'accès doivent être harmoniés pour favoriser la réalisation de terminaux bi-modes TDD/FDD à coûts.

Les figures suivantes montrent le principe et l'allocation du spectre pour les deux modes.

	GSM	UTRA/FDD	UTRA/TDD
Technique d'accès multiple	FDMA/TDMA	FDMA/CDMA	FDMA/CDMA
Mode de duplexage	FDD	FDD	TDD
Séparation entre porteuses (KHz)	200	5000	5000
Spectres de fréquences (MHz)	925 - 960 (VD) 880-915 (VM) 1805 - 1880 (VD) 1720 - 1785 (VM) 1850 - 1910 (VD) 1930 - 1990 (VM)	2110 - 2170 (VD) 1920 - 1980 (VM)	1900 - 1920 (VM et VD) 2010 - 2025 (VM et VD)
Type de modulation de données	GMSK	BPSK (VM) QPSK (VD)	QPSK
Périodicité du contrôle de puissance	2 Hz	1500 Hz	100 à 750 Hz
Durée d'une trame	4,615 ms	10 ms	10 ms
Durée d'un slot	0,577 ms	0,667	0,667
Débit chip		3,84 Mbps	3,84 Mbps
Synchronisation entre stations de base	Asynchrone	Asynchrone Synchrone (optionnelle)	Synchrone

L'organisation temporelle de l'UMTS est basée sur une super trame de 720ms, comportant elle-même 72 trames de 10ms.

Chaque trame de 10ms est divisée en 15 slots. Cette organisation est présentée par la figure III.6.

Dans les différentes formes de normalisation, la technique W-CDMA s'est révélée être celle qui a été adaptée la plus largement pour l'UMTS. C'est ce mode, plus précisément le W-CDMA, qui est retenu pour le réseau d'accès radio de l'UMTS. Il est dit « à large bande » avec une large bande de 5 MHz.

- Un gain de traitement plus élevé. En effet, en élargissant la bande, le signal est moins sensible aux interférences. Cela permet aussi d'accroître le nombre d'utilisateurs présents dans une cellule et de résister aux actes des brouilleurs ;

- La possibilité de transmettre des services à haut débit : Avec 5 MHz de largeur de bade, nous pouvons atteindre un débit de 2 Mbits/s ;

- Meilleures performances pour détecter les trajets multiples. En effet, dans un canal de propagation à trajets multiples, des versions décalées du signal transmis parviennent à des intervalles de temps différents. Cette propriété qui était un inconvénient dans d'autres systèmes, va être utilisée dans un système CDMA en combinant les signaux pour diminuer le taux d'erreurs et obtenir ainsi de meilleures performances ;

- La possibilité de déploiement dans un spectre de fréquence déjà utilisé, qui consiste à faire cohabiter un système W-CDMA et un autre système cellulaire sur un même spectre de fréquences.

Nous pouvons définir le Handover comme étant les moyens de transfert de connexion de l'utilisateur d'un canal radio à d'autres. Cette définition a été formée avant l'avènement de l'UMTS. L'UMTS est venu, cette définition n'était plus valide.

L'objectif principal pour le Handover est de maintenir un appel en cours. Cela est nécessaire car l'utilisateur peut se déplacer (peut être en grande vitesse) et il serait ennuyeux si l'appel continue à baisser lorsque l'utilisateur change d'autres cellules ou zone.

Un soft handover survient entre deux cellules ou des secteurs qui sont supportés par différents Node B d'une même station de base. L'UE transmet ses données vers différents Node B simultanément et reçoit des données de ces différents Node B simultanément.

Dans le sens descendant, les données utilisateur délivrées à l'UE sont émises par chaque Node B simultanément et sont combinées dans l'UE.

Dans le sens montant, les données utilisateur émises par l'UE sont transmises à chaque Node B qui les achemine au RNC où elles sont combinées.

- Softer Handover : lorsqu'un appareil mobile se trouve dans une zone de couverture commune de deux secteurs couverts par la même station de base ;

- Soft Handover : Lorsqu'un appareil mobile se trouve dans une zone de couverture commune à deux stations de base. Les communications du mobile empruntent simultanément deux canaux différents pour atteindre les deux stations de base.

- Hard handover inter-fréquences : permet à un appareil mobile de passer d'une fréquence à une autre ;

- Hard handover inter-systèmes : permet à un appareil mobile de passer d'un système à un autre.

Un mobile s'attache à la station qui lui offre la meilleure qualité du lien radio sur le canal pilote. Quand un mobile passe d'une cellule à une autre, il voit le pilote de la première station s'affaiblir, et celui de la seconde croître progressivement. Lorsque l'intensité de deux pilotes est assez proche, un lien radio est établi avec chacune de deux cellules.

Le mobile est attaché aux deux stations de base en même temps, ce qui permet de combattre les effets d'évanouissement et de masquage par exemple, et de garantir une bonne continuité de service. Le mobile combine les deux signaux qu'il reçoit afin d'en extraire le maximum d'informations.

Dans le sens montant, le mobile est reçu par les deux stations de base et le réseau reconstitue le signal utile en évaluant à chaque instant le meilleur signal reçu sur les deux liens.

En UMTS, le contrôle de puissance est primordial. Sans lui, un seul terminal émettant à une puissance trop élevée pourrait empêcher tous les autres terminaux mobiles de la cellule de communiquer, puis que plusieurs utilisateurs différents émettent dans la même bande de fréquence ; chaque utilisateur peut être une source d'interférence pour les autres.

Il est donc important de mettre en oeuvre un mécanisme qui permet aux terminaux mobiles d'ajuster leur puissance d'émission tout en garantissant une bonne réception de la station de base. Ce problème se pose aussi pour les puissances émises par la station de base pour limiter les interférences. Le contrôle de puissance est donc nécessaire dans les deux sens.

La transmission des signaux dans un canal est caractérisée par des multiples réflexions, diffractions et atténuations du signal. Ces phénomènes sont provoqués par les obstacles rencontrés par les signaux. C'est pour cette raison que ces derniers empruntent des trajets multiples afin d'atteindre leur cible.

Il en résulte que le signal réalise des temps de trajet variable en fonction du chemin emprunté ; il en est de même pour la puissance du signal qui peut varier.

Le récepteur peut recevoir plusieurs fois le même signal décalé ; ce temps de décalage peut varier. Il est donc impératif que le récepteur sache identifier les différentes composantes dans le but de reconstituer les données.

Ces services sont classifiés en fonction de la qualité de service (QoS) et sont formés de quatre classes en fonction de transfert d'informations et des variations du débit au cours du temps. Ces choses peuvent être divisées en deux groupes :

A et B : Conversational et Streaming respectivement pour les applications avec des contraintes temps réel.

C et D : Interactive et Background respectivement pour les applications sensibles aux erreurs de transfert.

Cette phase regroupe tous les services bidirectionnels et les contraintes qui lui sont associées dépendent essentiellement de la réception humaine. Les services représentatifs de cette classe sont, entre autres, la téléphonie, la visiophonie ou les jeux interactifs.

Cette classe regroupe tous les services impliquant un utilisateur et un serveur de données. Elle diffère de la classe A par le fait qu'elle autorise des délais plus importants sans perturber la QoS et ceci est dû au manque d'interactivité entre l'utilisateur et la source de données. Les services représentatifs de cette classe sont, entre autres, les services de vidéo à la demande, la diffusion radiophonique ou les applications de transfert d'images.

Cette classe regroupe tous les services dans lesquels un dialogue interactif entre l'utilisateur et le serveur de données a lieu. Ne requérant pas de performances temps réel comme les classes A et B, pourtant les délais ne doivent pas dépasser l'ordre de la seconde et les informations transmises ne doivent pas être altérées. Les services représentatifs de cette classe sont, entre autres, les messages vocaux, le e-commerce, le transfert de messages électroniques ou le transfert de fichiers.

Cette classe a des caractéristiques proches de celles de la classe C mais les délais peuvent être supérieurs à 10 secondes. Les applications de cette classe sont, entre autres, le transfert de fax, la notification d'arrivée de message électronique ou la messagerie de type SMS.

Service	Délai	Exemples d'application	Débit	Tolérance aux erreurs
Conversationnel (temps réel)	<< 1s	Téléphonie Visiophonie	32 - 384 Kbits/s	Oui
Conversationnel (temps réel)	<< 1s	Jeux interactif	1 Kbit/s	Non
Interactif	1s	Commerce électronique	Non garanti	Non
Interactif	1s	Navigation sur internet	Non garanti	Non
Streaming	< 10s	Audio haute qualité	32 - 128 Kbits/s	Oui
Streaming	< 10s	Image fixe	Non garanti	Non
Background	> 10s	Fax	Non garanti	Oui
		E-mail (avec acquittement)	Non garanti	Non

La figure suivante représente les différents scénarios possibles de migration de la 2^ème à la 3^ème génération.

L'UMTS nous donnera des applications et des services plus rapides, plus sophistiqués, quel que soit le lieu, et même en département, des débits de 2Mbit/s (accès radio dans une « cellule » de zone locale), 144Kbps (pour un déplacement sur n'importe quelle distance) et plus de 2Mbit/s (câblé). Nous avons des applications ou des services tels que :

· L'accès aux services de messagerie vocale, téléphonie vidéo, vidéo conférence (y compris multipartite) téléconférence ;

· Les services « sur demande » - vidéo, audio, journaux, informations sur la bourse, etc. ;

· Services automatisés - télédiagnostic, télésurveillance, télécommande des appareils domestiques etc. ;

· Les applications définies - celles qui peuvent passer sur UMTS, par exemple, les applications des sociétés internes, accessibles aux employés où qu'ils soient ;

· Des éléments câblés radio et satellite pour une couverture globale sans coupure ;

· La capacité de parcourir les réseaux mobiles privés, publics grande distance et satellite.

· Aspect constant du réseau domestique de l'utilisateur (par exemple, environnement du bureau) quels que soient le lieu et le réseau, et même si l'on passe d'un réseau à un autre ;

· Numéro d'utilisateur unique indépendant du réseau et du provider de service ;

· Tous les services requis disponibles sur un seul élément d'équipement utilisateur.

· Un service qui s'adaptera à la vitesse de transmission des données disponibles, par exemple l'utilisateur peut définir des paramètres pour perdre la vidéo mais conserver le son lorsqu'il est en vidéo conférence dans des zones lointaines/encombrées, au cas où la largeur de bande se dégraderait.

L'UMTS donnera à l'industrie un univers de communication nouveau, « ouvert »

· Le travail en équipe, le déploiement de l'UMTS exigera de nouvelles technologies et partenariats, et adressera de nombreuses questions commerciales et de réglementation ;

· La concurrence de nombreux providers fournissant un ensemble de nouveaux services mobiles et avancés ;

· L'intégration en un seul système de services résidentiels, commerciaux et cellulaires ;

· Une convergence plus rapide entre les secteurs des télécommunications, de l'informatique, des médias et du contenu ;

· Un développement rapide des services innovateurs pour les utilisateurs finals - élément clé étant l'environnement domestique virtuel (VHE) ;

· L'UMTS fonctionnera avec les technologies actuelles de seconde génération (partie GSM) permettant aux fournisseurs d'accès de réutiliser leurs investissements existants ;

· Diverses alternatives de facturation (par exemple paiement à l'unité, à la session, au forfait) - c'est une commutation par paquets ;

· Un environnement commun pour le développement, les essais et le déploiement.

· Il améliorera le développement des services de télécommunication dans les pays en développement ;

Dans ce chapitre nous avons fait la présentation du réseau UMTS, son architecture et son fonctionnement. Nous avons également présenté ses différentes parties et ses services offerts.

Etude portant sur la transmission des signaux multimedia dans un reseau de telephonie mobile de la 3ème generation « cas de routage de données et de la voix dans le réseau UMTS »

CHAPITRE III : LE SYSTEME UMTS : STRUCTURE ET FONCTIONNEMENT