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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 »( Télécharger le fichier original )par Elie MVUBU MAYEMBA ESMICOM Kinshasa - Graduat 2011 |
CHAPITRE IV : LE ROUTAGE DE DONNEES ET DE LA VOIX DANS LE RESEAU UMTSIV.1. Introduction Le réseau téléphonique est destiné à faire la transmission de la voix, mais avec le temps, ce réseau devient de plus en plus capable de supporter la transmission des signaux de données à faible débit. Cette transmission était devenue possible grâce à l'arrivée du GPRS. A l'arrivée du système UMTS, ce réseau commence à supporter la transmission de signaux de données avec des débits élevés. Dans le GSM, pour faire passer les données par une cellule, celle-ci est d'abord divisée en canaux de fréquences différentes ; ces canaux aussi sont répartis en intervalle de temps. Contrairement au GSM, la cellule de l'UMTS n'est pas divisée en canaux de fréquences mais elle est basée sur la méthode d'accès multiple à répartition par code qui permet d'envoyer simultanément toutes les données, par paquets et dans le désordre (sur n'importe quelle fréquence). IV.2. Données multimédias9(*) IV.2.1. Le multimédia et la vidéo Le multimédia concerne tout ce qui a trait à l'utilisation de plusieurs supports d'informations en même temps. L'application multimédia rassemble la voix, les données, l'image et le texte. D'autres propriétés peuvent se rajouter, comme le multipoint, le coopératif, etc. Nous ne nous intéressons qu'aux propriétés du multimédia liées à la communication et non à son traitement dans les équipements terminaux. Dans les réseaux de la génération bande étroite, les différents médias passaient par des réseaux indépendants. Les difficultés de cette technique venaient de la remise simultanée des différents supports et de la trop grande capacité requise pour le transport de certains médias. Si le problème de débit est en partie résolu avec les réseaux larges bandes et les techniques de compression, restent les problèmes de coopération entre machines terminales et de synchronisation des médias. Le groupe de normalisation ISO/IEC/JTC1 a effectué un travail important en produisant un ensemble de normes qui prennent de mettre en place des communications multimédias entre utilisateurs. Les principales normes que nous pouvons retenir sont les suivantes : · JPEG (Joint Photographic Experts Group) · MPEG (Moving Pictures Expert Group) · MHEG (Multimedia and Hypermedia Expert Group) · VRML (Virtual Reality Modeling Language) De son côté, l'UIT-T a normalisé de nombreux assemblages de différents codeurs pour réaliser les équipements terminaux multifonctions. Le tableau IV.1 récapitule les différentes possibilités d'équipements terminaux multimédias avec les recommandations associées. Le (*) signifie que le codeur correspondant est obligatoire dans l'assemblage. Tableau IV.1. Equipements terminaux multimédias
Il existe des standards UIT-T plus anciens, comme H.100, qui détermine les qualités requises pour le codage de la visiophonie, et H.120, qui recommande la compression pour la faire passer sur un accès primaire. La recommandation H.110 définit les techniques de compression des codecs (codeur-décodeur). IV.2.2. Codage et compression Le codage et la compression sont les deux composantes du succès du multimédia et notamment de l'intégration de la vidéo aux autres applications multimédias. Les progrès réalisés en quelques années sont considérables, et des standards stables se sont mis en place. Les applications multimédias posent le problème de trouver le meilleur compromis entre complexité et temps réel. On considère que, pour retrouver exactement la qualité du signal original, la compression doit être limitée à un facteur 3. C'est le cas des images dans des applications où la qualité est primordiale. Ces compressions, qui déforment très légèrement l'image, exploitent les capacités de récupération de l'oeil humain. L'oeil est beaucoup plus sensible à la luminance, ou brillance, des images qu'à la chrominance, ou couleur. On trouve cette caractéristique dans le codage de la télévision haute définition, où la résolution de la luminance repose sur une définition de l'image de 720 points sur 480, alors que le signal de chrominance n'exploite qu'une définition de 360 sur 240 points. De plus, par point, la luminance demande davantage de bits de codage que la chrominance. Le codage donne naissance à un flot de données irrégulier placé dans un train numérique. Le train numérique est divisé en multi trames de 512 bits. Il démarre par 1 bit pour la synchronisation, qui viennent 493 bits pour les données vidéo et enfin 18 bits pour la correction d'erreur. Le code de détection et de correction des erreurs utilisé est le BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem). En effet, il est souhaitable de récupérer les erreurs quand la compression est importante, car une erreur introduit des erreurs sur l'image suivante et une perte de qualité d'autant plus importante que la compression est forte. Le train numérique est illustré à la figure suivante IV.2.
Figure IV.2 : Train numérique du codage H.261 Le train numérique est multiplexé dans un champ plus vaste, le champ de multiplexage vidéo, qui inclut la synchronisation vidéo, les adressages des macroblocs codés, les indications du type de codage des macroblocs, le pas de quantification, qui permet de réduire ou d'augmenter le débit du codeur suivant l'espace disponible, et les différents codages internes. IV.2.3. MPEG (Moving Pictures Expert Group) Le standard MPEG est sûrement le plus important pour le transport des images animées. Il intervient aussi bien dans la télévision numérique terrestre que dans la transmission de vidéo ou dans le streaming vidéo sur des combinés téléphoniques mobiles. Comme H.261, le standard MPEG utilise des algorithmes de compression inter et intra-trames. Le débit descend jusqu'à une valeur de 1,5 Mbit/s pour une qualité télévision, avec très peu de perte par rapport à l'image de départ. Cependant pour obtenir une très bonne qualité pour l'image de télévision, il faut prévoir un débit de 4 Mbit/s. beaucoup de FAI qui offrent de la télévision par l'intermédiaire des accès ADSL ont choisi un débit de 3 Mbit/s. L'oeil n'étant pas sensible des temps inférieurs à 100 ms, il est possible de jouer sur les paramètres du nombre d'image et sur la compression pour diminuer le débit. Bien qu'il permette la diffusion de vidéos de très bonne définition, le standard MPEG-1 est optimisé pour un format de 352 par 240 en 20 images par seconde. La norme MPEG-2 a été développée en 1994 pour améliorer la transmission des images animées grâce à des images entrelacées. MPEG-2 est optimal pour une dimension de 720 par 480 pixels à 60 images par seconde. Les codecs MPEG-2 audio Layer 3, dits MP3 reste très utilisé, même si l'on peut faire beaucoup mieux aujourd'hui. Apparu en 1998, le standard MPEG-4 est bien adapté aux bandes passantes très étroites. Il permet de stocker un DVD sur CD-ROM ou de transmettre une vidéo à des débits très faibles, pouvant descendre à 9,6Kbit/s pour s'adapter à la bande du GSM, par exemple. La norme MPEG-4 permet une compression très forte en incluant, le cas échéant, les éléments nécessaires à la reconstruction de l'image à l'autre extrémité. La norme MPEG-7 a pour objectif de permettre la description des données multimédias et l'ajout d'informations. La dernière norme, le MPEG-21, date du début des années 2000. Il permettra notamment de gérer les droits d'auteur et de protéger la propriété intellectuelle lors de l'échange, de la distribution et de la vente de données numériques. Le MPEG-2 est aujourd'hui l'un des principaux standards pour la distribution d'images animées. La norme MPEG--2 comporte trois parties principales : · MPEG-2-1, qui s'intéresse à la couche système et à la représentation du multiplexage des flux ; · MPEG-2-2, qui s'intéresse à la compression vidéo ; · MPEG-2-3, qui s'intéresse à la compression audio. IV.2.4. Le transport de la vidéo Le multimédia concerne le transport de données en association avec la parole et la vidéo. Le transport de la vidéo est dépendant du type d'application, en particulier si elle est interactive ou non. Dans le cas d'une application interactive, le délai aller-retour est limité à 600 ms. Dans le cas d'une application de vidéo unidirectionnelle, sans voie de retour, le délai peut bien sûr être beaucoup plus long. Il suffit de différer la reproduction des images avec un délai constant, qui peut être de 5 s, voire nettement plus. La seule difficulté dans ce dernier cas est de faire attendre l'utilisateur pendant les quelques secondes nécessaires au départ. IV.3. Les débits et la largeur de bande passante UMTS Le débit peut être défini comme étant une quantité d'informations binaires transmises par unité de temps. Le débit théorique maximal de l'UMTS pour les données est de 2 Mbits/s. Il devient en théorie de faire passer de la voix et même de la vidéo. Néanmoins, cette vitesse de l'UMTS est nettement supérieure au débit de base GSM qui est de 9,6 Kbits/s. Le débit de l'UMTS peut être très différent selon le lieu d'utilisation : · 144 Kbit/s : En zone rurale ou environnement extérieur pour un utilisateur mobile. Ce débit est disponible pour les environnements dans lesquels l'utilisateur 3G se déplace à une vitesse plus grande jusqu'à 500 Km/h (exemple : train) ; · 384 Kbit/s : En zone urbaine ou environnement urbain extérieur pour une utilisation piétonne (jusqu'à 120 km/h). Ce débit est disponible pour les utilisateurs qui se déplacent à une vitesse allant jusqu'à 120 Km/h (environnements micro cellulaire et macro cellulaire) ; · 2 Mbit/s : Proche de l'antenne d'émission de la cellule et en mobilité réduite (depuis un point fixe). Ce débit est disponible avec une vitesse de déplacement plus petite que 10Km/h, (environnements micro cellulaires et pico cellulaires). En ce qui concerne la bande passante, l'UMTS a une largeur de bande de 5 MHz, supérieure à celles de GSM, GPRS et EDGE, car ces autres technologies n'ont qu'une largeur de bande de 200KHz. IV.4. Les domaines de transmission UMTS IV.4.1. Le domaine de circuit Comme sus-évoqué au chapitre précédent, l'UMTS a deux domaines pour la circulation des informations dans le réseau tel que le domaine de circuit gère les tous les services temps réels. En guise d'exemple pour le domaine de circuit, nous pouvons voir : les appels téléphoniques, la vidéo conférence et les applications multimédias. Pour toutes ces applications, il exige le temps de transfert très réduit et le débit supporté pour ce mode de transmission peut arriver jusqu'à 384 Kbits/s. Ce domaine de circuit peut être illustré par la figure suivante : RNC MSC/VLR GMSC PLMN PSDN Réseaux Externes Terminal UMTS Node B Node B
Figure IV.3 : Illustration du domaine de circuit UMTS La figure ci-dessus démontre ou illustre les équipements destinés à travailler dans le mode de transfert en temps réel, ce qui veut dire que si l'utilisateur envoie ses données dans le réseau, ces données passeront par différents équipements illustrés à la figure, et, quant au commutateur MSC d'établir la liaison entre les abonnés et la passerelle GMSC fait l'interconnexion des commutateurs des réseaux au cas où le destinataire ne se trouve pas au même réseau. IV.4.2. Le domaine de paquets Le domaine de paquet est différent de celui de circuit parce qu'il traite des 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 et pourra atteindre 2 Mbits/s. RNC SGSN GGSN Internet Réseaux Externes Terminal UMTS Node B Node B Figure IV.4 : Illustration du domaine de paquet UMTS Pour le domaine de paquet, il y a présence de deux dispositifs qui sont absents au domaine de circuit : le SGSN et le GGSN. IV.5. Routage de données et de la voix IV.5.1. Accès des données dans le réseau Dans un réseau téléphonique, chaque information qui se présente au réseau à travers le réseau d'accès doit avoir un canal pour sa transmission, car l'information (voix/donnée) ne peut pas accéder au réseau s'il n'y a pas un canal. Pour cela, le réseau de téléphonie mobile a plusieurs canaux destinés à la transmission d'informations. Deux personnes utilisant leurs téléphones UMTS, elles envoient en même temps, données et de la voix. La bande passante utilisée est large de 5MHz, ce qui permet d'atteindre des débits relativement importants. En outre, les signaux de données émis par plusieurs utilisateurs peuvent se mélanger sur une même fréquence, sous forme de paquets (c'est le mode paquet). Ces dernières sont étiquetées (on parle de répartition par code), ce qui permet de reconstituer les données à l'arrivée. Node B Station mobile Node B Station mobile Figure IV.5 : L'interface Um IV.5.1.1. Canaux de transport10(*) Les signaux contenant les données sont transmis sur l'interface Um par des canaux de transport qui s'appuient sur des canaux physiques. Cette couche physique supporte différents débits qui peuvent varier au cours d'une session utilisateur afin d'offrir à celui-ci un service de bande à la demande et la possibilité de multiplexer plusieurs applications simultanées. Les canaux du réseau d'accès utilisent une trame radio de 10 ms, chaque trame étant elle-même composée de quinze intervalles de temps. Chaque intervalle de temps contient 2 560 éléments de codes. Il existe deux types de canaux de transport, les canaux dédiés et les canaux communs. Un canal commun est partagé entre plusieurs utilisateurs d'une même cellule alors qu'un canal dédié est propre à un utilisateur donné. Le réseau UMTS a plusieurs canaux, mais nous allons tenter d'évoquer quelques canaux seulement. 1. Canal de transport dédié Il existe un seul canal de transport dédié, le DCH (Dedicated Channel), qui véhicule toutes les informations destinées à un utilisateur, données correspondant au service en cours et informations de contrôle de la liaison. Le débit sur le canal de transport varie trame par trame. Cela diffère du GSM où les données de l'utilisateur sont transportées sur un canal de trafic (TCH), lui-même différent selon qu'il a à transporter la voix ou des données informatiques. 2. Canaux de transport communs v Broadcast Channel : Le canal de diffusion (BCH) est utilisé pour transmettre des informations au réseau d'accès ou à une cellule particulière. Il doit être décodé par tous les mobiles ;
v Forward Access Channel : Le canal d'accès avancé (FACH) transporte des informations de contrôle destinées aux terminaux d'une cellule donnée, ainsi qu'éventuellement des données utilisateur en mode paquet. Il peut y avoir plus d'un canal FACH par cellule ; v Paging Channel : Le canal de messagerie (PCH) transporte les informations nécessaires à la recherche d'un terminal par le réseau pour l'établissement d'un appel entrant. Il est transmis dans toutes les cellules d'une zone de localisation ; v Random Access Channel : Le canal d'accès aléatoire (RACH) est un canal montant, c'est-à-dire émis par le mobile pour transporter les informations de demande d'établissement d'une connexion ; v Common Packet Channel : Le canal commun de paquets (CPCH) est une extension du RACH pour transmettre des paquets sur le sens montant dans de bonnes conditions de qualité. Contrairement au RACH, le CPCH utilise le contrôle de puissance et un mécanisme de détection de collision des paquets ; IV.5.1.2. Canaux de transport et canaux physiques11(*) Les canaux de transport s'appuient sur des canaux physiques. En plus des canaux physiques supportent de canaux de transport. Le canal de transport DCH s'appuie sur deux canaux physiques séparés, DPDCH (Dedicated Physical Data Channel) qui transporte les données utilisateur et DPCCH (Dedicated Physical Control Channel) qui transporte les informations de contrôle nécessaires à la couche physique. Seul le débit du canal DPDCH peut varier d'une trame à l'autre. IV.6. Concentration de trafic La couverture 3G du territoire est assurée par un réseau d'antennes qui captent les signaux radio émis par les mobiles. Chaque antenne est reliée à une station de base, appelée Node B en 3G. Et, le rôle de ce Node B est de transformer les ondes radio émises par les mobiles en données capables de transiter sur les réseaux filaires (et inversement) et ce fait est considéré comme étant une concentration de trafic que font les équipements radio pour acheminer les données vers le réseau coeur. Les Node B sont reliés, le plus souvent, au travers de liaisons 2Mbits/s à un contrôleur, appelé RNC (Radio Network Controller). C'est vers lui que transite la voix et les données. IV.7. La Passerelle GGSN Le GGSN (Gateway GPRS Support Node) est une passerelle d'interconnexion entre le réseau paquet mobile (GPRS ou UMTS) et les réseaux IP externes. Le GGSN transmet le trafic au SGSN actif pour la station mobile (MS) associée à l'adresse du protocole (l' adresse IP par exemple). La structure de données permettant la session entre le SGSN et le GGSN est appelée Contexte PDP (Packet Data Protocol). Une MS peut avoir plusieurs contextes PDP actifs simultanément ou aucun. Le GGSN permet ainsi la mobilité en assurant la transmission des paquets de données vers la MS. Le GGSN a les fonctions principales suivantes : 1. il contient des informations de routage ; 2. il gère la login (identifiant) et password (mot de passe) de l'utilisateur) ; 3. il collecte des données de trafic pour la facturation ; 4. il fait fonction de pare-feu ; 5. il est relié au SGSN.12(*) Le GGSN est chargé de transférer toutes les données d'un réseau vers un autre réseau qui est un réseau externe et se charge aussi de recevoir les données venant des réseaux externes et les acheminer vers le SGSN. IV.8. Le Routeur SGSN Le SGSN (Serving GPRS Support Node) est un noeud qui joue le même rôle que le MSC/VLR en mode paquet et gère les terminaux présents dans une zone donnée, c'est-à-dire que c'est un contrôleur qui a pour fonction de vérifier l'enregistrement de données, de les authentifier et d'autoriser les communications. Le SGSN est un routeur qui gère l'interface avec le réseau de paquets externe via une autre passerelle, le GGSN (Gateway GPRS Support Node) pour les appels sortants (chaque GGSN est identifié par l' Access Point Name fournie dans la demande d'activation du mobile) et vers la station mobile pour les appels entrants. Il maintient les informations identifiant l'abonné et les services utilisés.13(*)
Figure IV.6 : Structure d'un réseau GPRS IV.9. Routage des données et de la voix Le RNC a pour mission principale de gérer la mobilité des utilisateurs et de concentrer le trafic de plusieurs Node B. Une fois les données se présentent dans le réseau et comme elles ne doivent pas faire route ensemble avec la voix, elles se dirigent alors vers le routeur SGSN qui choisit une route appropriée pour chacune d'elles. Comme évoqué aux points précédents sur les domaines de circuit et de paquet ; après avoir être séparées par le routeur, les données empruntent le domaine de paquet et la voix emprunte le domaine de circuit, et, elles sont envoyées vers les équipements chargés de leur traitement spécifique. IV.9.1. Transfert de la voix La voix qui sera séparée des données se dirigera vers le MSC (Mobile Switching Center) et celui-ci, qui existe déjà en 2G, transfère la voix et les SMS vers les réseaux de téléphonie fixe et mobile des autres opérateurs, via une passerelle de routage appelé GMSC (Gateway MSC). En UMTS, comme la voix parvient au MSC en mode paquet, on adjoint à cet équipement une passerelle (Media Gateway) qui permet de repasser en mode circuit utilisé en 2G et en téléphonie fixe. Le MSC prend alors l'appellation de l'UMSC, signifiant qu'il est compatible UMTS. Il prend aussi en charge la visiophonie.
IV.9.2. Transfert de données Les données séparées de la voix empruntent la direction de paquet et se dirigent vers le SGSN (Serving GPRS Support Node), déjà utilisé avec le GPRS, et celui-ci transfère ces données en mode paquet vers l'Internet ou encore vers les plates-formes de services MMS (et inversement). Cette mise en relation s'effectue via une passerelle de routage des données appelée GGSN. IV.10. L'acheminement en mode paquet Lorsque le mobile transmet des données vers un terminal fixe, les données sont transmises via le réseau d'accès (Station de base + contrôleur de station de base) au SGSN qui envoie ensuite les données vers le GGSN qui les route vers le destinataire. Le routage vers des terminaux (terminal mobile vers terminal mobile ou terminal mobile vers terminal fixe) utilise le principe de l'encapsulation et des protocoles de tunnel. Les données reçues par le GGSN sont transmises au SGSN dont dépend le mobile destinataire.14(*)
Figure IV.7 : Encapsulation et Décapsulation IV.11. Les réseaux de l'Internet mobile15(*) IV.11.1. Le réseau GSM Le réseau GSM est un réseau qui fonctionne en mode circuit, mais ce réseau pourra aussi faire le passage du mode circuit au mode paquet via la passerelle GMSC. L'environnement du GSM se présente sous la forme illustrée à la figure IV.8.
Figure IV.8 : Architecture du réseau GSM Les applications se déroulent sur un serveur, et les utilisateurs y accèdent via une interface hertzienne puis un réseau à commutation de circuits ; ce réseau peut mener directement à un serveur qui gère le portail de l'opérateur mobile. En règle générale, les serveurs que le portable peut atteindre se trouvent sur Internet, ce qui demande la traversée d'un réseau à travers de paquets IP. Entre le réseau à commutation de circuits et le réseau IP, se trouvent des passerelles spécifiques, qui transforment les syntaxes pour les rendre plus condensées. En effet, les débits sur ce réseau sont limités par l'interface radio et par le débit du réseau à commutation de paquets, qui est de 9,6 Kbits/s pour le GSM. IV.11.2. Le réseau GPRS Le serveur est toujours situé sur le réseau IP ou sur le réseau à transfert de paquets, mais la différence fondamentale avec la figure précédente provient de l'existence d'un réseau à transfert de paquets de type relais de trames dans la toute première génération. Les débits augmentent, mais généralement, seuls trois ou quatre slots de temps sur une fréquence donnée peuvent être utilisés en parallèle. Cela porte le débit utile théorique à 3 x 9,6 ou 4 x 9,6 Kbit/s, c'est-à-dire environ 30 ou 40 Kbit/s. ce débit maximal pour les réseaux GPRS ne reste accessible que si l'interface radio est loin d'être saturée. Les applications du GPRS ne sont donc pas fondamentalement différentes des applications construites pour le GSM.
Figure IV.9 : Architecture du réseau GPRS IV.11.3. Le réseau UMTS L'environnement UMTS de première génération introduit de nouvelles cellules, avec une interface radio beaucoup plus puissante, et met en place entre la station de base et le réseau coeur, un réseau à commutation de trames. Dans cette première étape, le réseau coeur, ou CN (Core Network), est en fait constitué de deux réseaux, un réseau à commutation de paquets et un réseau à commutation de circuits.
Figure IV.10 : Architecture de la première génération UMTS Dans les toutes premières générations de l'UMTS, la parole téléphonique empruntaient les circuits pour être conduite au combiné du destinataire. Maintenant, la parole est mise dans des trames AAL2 pour être transportée dans le réseau à commutation de paquets. Dans cette génération, il y a coexistence du réseau GSM-GPRS et du réseau UMTS. Les terminaux sont bi standards, et la connexion s'effectue sur la cellule disponible. La dernière étape de l'arrivée de l'UMTS est illustrée à la figure IV.11.
Figure IV.11 : Environnement ultime de l'UMTS Cette étape ultime pour aboutir à l'environnement UMTS consiste à remplacer le réseau à commutation de trames ATM par un réseau à transfert de paquets IP. Ce réseau est en fait le réseau IP de l'opérateur, servant aussi bien aux connexions fixes qu'aux connexions mobiles. Toutes les applications sont transportées à l'intérieur des paquets IP, que ce soit les données, la parole ou la vidéo. L'augmentation des débits de la technologie UMTS a pour origine les améliorations HSDPA, HSUPA et HSOPA. IV.12. Conclusion Dans ce chapitre nous avons pu présenter le routage de données et de la voix dans le réseau UMTS, les débits utilisés et les équipements chargés de faire cette transmission de paquets. Nous avons également effectué une étude sur le réseau UMTS et les autres réseaux tels que le GSM et le GPRS, et ensuite nous avons présenté les étapes de transition du réseau GSM vers le réseau UMTS.
* 9 Pujolle, G. : Op.cit., P.978-987 * 10 Commentcamarche, Op.cit * 11 Commentcamarche, Op.cit * 12 http://fr.wikipedia.org/wiki/Gateway_GPRS_Support_Node * 13 Idem * 14 GIRODON S. : Réseaux GSM, GPRS et UMTS, www.girodon.com, 2001-2002, document en PDF, p.16-17. * 15 Pujolle, G. : Op.cit., P. 998-1000 |
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