Système 3G PDF [PDF]

Zitiervorschau

Système 3G : IMT 2000 (International Mobile Telecommunications) Norme pour les systèmes de télécommunications mobile dits de 3ème génération (3G) 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. International Mobile Telecommunications: supporté par l’ITU • IMT-2000 est un service développé dans le but de permettre aux souscripteurs d’utiliser des services de réseau cellulaire de partout, avec un seul terminal, utilisant une fréquence commune et un standard unifié. • IMT-2000 fournira du haut débit, des services sans fil multimédia avec une itinérance globale plus large. L'idée fondatrice du système 3G 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 3G prendra en considération des facteurs techniques, politiques et commerciaux. Les facteurs techniques concernent la fourniture des débits demandés et la performance du réseau. Les autres 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 Réseau Numérique à Intégration de Service (RNIS ou ISDN en anglais) : - 144 kbits/s qui correspondent 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.

1. La famille IMT 2000 : On a 3 familles majeures d’IMT 2000 :  En Europe, au sein de l’ETSI, la standardisation d’un système 3G nommé Universal Mobile Telecommunication System UMTS (WCDMA) utilisé en Europe et plusieurs pays au monde  CDMA 2000 en USA  TD-SCDMA en Chine 2001 – Le Japon prévoit de lancer le réseau UMTS 2002 – Lancement commercial de l’opération UMTS

2. UMTS Les objectifs • Débit usager supérieurs • Compatibilité avec les services GSM et GPRS • Assurer la mobilité entre GSM et UMTS • Améliorations fonctionnelles (QoS,Multiservices,…) • Répond au problème croissant de saturation des réseaux GSM, notamment en grandes villes.

BP : 5 MHZ

2.1.

L’organisation fréquentielle

Les bandes de fréquences allouées pour l’IMT 2000 sont 1885-2025 MHz et 2110-2200 MHz. L’UMTS propose la répartition suivante :

La division duplex dans les bandes dites “appairées”, c’est à dire 2×60 MHz, est fréquentielle. L’écart duplex vaut 190 MHz. On utilise dans ces bandes un accès W-CDMA. La division duplex dans les bandes dites “non appairées”, c’est à dire 35 MHz et 15 MHz, est temporelle. On utilise dans ces bandes un accès TD-CDMA. Les deux modes d’accès doivent être harmonisés pour favoriser la réalisation de terminaux bimodes TDD / FDD à bas coûts. D’une manière générale, le mode FDD est bien adapté à tous les types de cellules, y compris aux grandes cellules, mais n’est pas très souple pour gérer des trafics asymétriques. Quant au mode TDD, il permet d’adapter le rapport de transmission montante/descendante en fonction de l’asymétrie du trafic, mais exige une synchronisation des stations de base et n’est pas bien adapté aux grandes cellules à cause des temps de garde trop importants. Les deux bandes restantes sont réservées à la composante satellitaire de l’UMTS, non encore étudiée.

2.2. Organisation temporelle L’organisation temporelle de l’UMTS est basée sur une supertrame de 720 ms, comportant ellemême 72 trames de 10 ms. Chaque trame de 10 ms est divisée en 15 slots de 667 μs.

2.3.

L’étalement de spectre

L’étalement de spectre se fait en deux étapes. La première, dite de channelization ou de spreading, transforme chaque symbole de données en un certain nombre de chips. La seconde, dite de scrambling, s’applique aux chips. Ces deux étapes sont nécessaires : - Pour séparer les différentes applications issues d’une même source, utilisation des séquences de Hadamard ; - Pour séparer différentes stations de bases : - En mode FDD : utilisation des séquences de Gold, de période 10 ms, à 3,84 Mchips/s ; - En mode TDD : utilisation de codes de longueur 16 ; - Pour séparer différents mobiles :

- En mode FDD : utilisation de séquences de Gold longues, de période 10 ms, ou de séquences courtes, de période 256 chips ; - En mode TDD : utilisation de codes de période de 16 chips et de midambules de différentes longueur suivant l’environnement. Les deux modes de fonctionnement possible, W-CDMA et TD-CDMA utilisent tous les deux un accès CDMA à 3.84 Mchips/sec dans une canalisation fréquentielle de 5 MHz. L’intérêt d’une telle largeur de bande est qu’elle est compatible avec la fourniture de débits à 384 kbits/s, comme requis dans les spécifications de l’IMT 2000, voire même 2 Mbits/s sous certaines conditions. La modulation utilisée est la QPSK. Deux options ont été retenues pour le codage de canal : - Un codeur convolutionnel de taux ½ ou 1/3 associé à un FEC (Forward Error Correction) - Un turbocodeur, recommandé pour les services de très haute qualité l'emploi de modulations plus efficaces (ex QAM16) (solutions HSDPA).

3. Architecture de l’UMTS 3GPP R99 Le réseau UMTS est composé de deux sous-réseaux comme l’illustre la figure cidessous : le réseau coeur ‘Core Network’ et le réseau radio ‘UMTS Radio Access Network’.

Deuxième système UMTS : 3GPP R4

UMTS en 2005: 3GPP R5

Le Core Network est hérité de l’architecture NSS du GSM et est constitué d’une partie commutation de circuits (MSC-GSM) et d’une partie commutation de paquets (SGSN-GPRS). Les nœuds de signalisation, la gestion de la mobilité, les services réseaux intelligents et les HLR, AUC, EIR… devront évoluer pour intégrer les spécificités UMTS. MGW (Media Gateway ) – Le MGW (Media gateway) fournit essentiellement deux environnements, l’un pour la commutation des paquets dans le réseau noyau, et l’autre pour la commutation des circuits avec le PSTN. Ajouté à cela, les services de transport (bearer), les fonctions d’encodage (vocoder), les fonctions MODEM/IWF (conversion mutuelle entre le son modem audio circuit et le flux d’octets audio numériques), ainsi que la possibilité de créer des connexions PPP.

L’UMTS Radio Access Network (UTRAN) est complètement distinct du BSS du GSM. Il est constitué de 1 ou plusieurs RNC (Radio Network Controllers), dont dépendent des Node B, et qui jouent un rôle proche respectivement des BSC et des BTS en GSM. Un UTRAN peut donc être relié au Core Network par plusieurs liens (1 par RNC). Le RNC et le Node B peuvent supporter les deux modes de duplexage FDD et/ou TDD. Le Node B est un ensemble de stations de base (BS) et de contrôleurs de site qui sont chargés en outre de gérer la macrodiversité. Chaque station de base gère une cellule. Plusieurs cellules peuvent donc dépendre d’un même Node B, mais chaque cellule ne supporte qu’un seul mode de duplexage : FDD ou TDD. Deux rôles de RNC ont été introduits afin de gérer les handovers inter-RNC : le Serving RNC et le Drift RNC (un RNC joue l’un ou l’autre des deux rôles pour une communication). Chaque communication met en œuvre un Serving RNC et un seul, et passe par 0 ou plusieurs Drift RNC : - Le Serving RNC gère les connexions radios avec le mobile et sert de point de rattachement au Core Network via l’interface Iu. Il contrôle et exécute le handover. - Le Drift RNC, sur ordre du Serving RNC, gère les ressources radios des stations de base qui dépendent de lui. Il effectue la recombinaison des liens lorsque du fait de la macrodiversité plusieurs liens radios sont établis avec des stations de base qui lui sont attachées. Il “route” les données utilisateurs vers le Serving RNC dans le sens montant et vers ses stations de base dans le sens descendant.

Les principales fonctions de l’interface Iur, reliant les RNC entre eux, sont liées au soft handover. L’Iur permet en effet au Serving RNC de demander au Drift RNC d’ajouter ou de supprimer un lien radio, de modifier les caractéristiques de celui-ci… L’interface Iub, reliant le RNC au Node B, est comparable à l’interface Abis en GSM, mais contrairement au GSM et du fait de la macrodiversité, plusieurs branches Iub de communication peuvent être utilisées pour un même terminal, toutes ces branches transportant la même information utilisateur.

L’interface Iu relie l’UTRAN au Core Network, que ce soit à un MSC pour les services circuits et/ou à un GSN pour les services paquets. Elle est indépendante du mode de duplexage sur l’interface radio (FDD ou TDD) et gère en outre le hard handover. La technologie ATM devrait être utilisée pour le transport à l’intérieur de l’UTRAN, ainsi que sur l’Iu. En effet, l’ATM présente les avantages suivants : des débits variables peuvent être utilisés pour la commutation de paquets et pour la parole codée ; la possibilité de déterminer plusieurs qualités de service (QoS), négociées par l’utilisateur en début de connexion (taux de cellules erronées, perdues, délai moyen et maximal…). Les critères de QoS sont différents suivants le type de connexion : insistance sur le temps réel conversationnel (parole) ou en flux (vidéo), technique du best-effort… L’interface radio de l’UMTS, Uu, est séparée en 3 couches : - La couche physique ; - La couche liaison de données elle-même divisée en 2 sous-couches : Radio Link Layer RLC et Medium Access Control MAC ; - La couche réseau 4. Caractéristiques couche physique Méthode d ’accès CDMA : Code Division Multiple Access  

W-CDMA en FDD : Frequency Division Duplex (sens montants et descendants séparés en fréquence) TD-CDMA en TDD : Time Division Duplex (sens montants et descendants séparés dans le temps)

Canaux de transport Canaux physiques  CANAUX PHYSIQUES Canaux dédiés Communs : visibles couches supérieures Communs : uniquement couche physique  CANAUX DE TRANSPORT Canal de transport dédié : DCH Communs (cf. GSM)

Fonctionnalités couche physique Ajout d’un CRC Codage canal plusieurs niveaux  d ’adaptation de débit  de segmentation  de concaténation multiplexage des canaux de transport entrelacement

Couche 2 de l’UTRAN Canaux logiques :  de trafic (point à point, multipoint DL)  de contrôle (diffusion, paging, sig dédiée, contrôle partagé) MAC  mise en correspondance : canaux logiques transports  gère les priorités (sous l’ordre de RRC)  collecte mesures volume de trafic + conditions de propag.



Plusieurs entités MAC :   



MAC-b diffusion MAC-c/sh : canaux partagés MAC-d : canaux dédiés

MAC-b : situé dans le node-B ; les autres dans le RNC

Couche 2 de l’UTRAN RLC : Radio Link Control  segmentation/réassemblage  concaténation/bourrage  détection des duplications  retransmission  remise en ordre  cryptage 3 modes de fonctionnement  transparent : segmentation/réassemblage  non acquitté : + numérotation + détection d’erreur pas de  reprise  acquitté : + retransmission sélective (cf. GPRS) Situé dans le RNC

Couche 2/3 de l’UTRAN PDCP : Packet Data Convergence Protocol  cf. SNDCP du GPRS  Plan-U  indépendance couches sup. (pas dans la strate d’accès)  compression RRC : Radio Resource Controller  pilote les autres couches, Plan-C  Demande de connexion du mobile :    

mise en place tuyau radio (Radio Access Bearer) paramétré en fonction de la QoS (débit max, moyen, taux d’erreur résiduel, taille des paquets …) configuration des couches inférieures au vu des infos collectées plusieurs niveaux d’activité du mobile

Situés dans le RNC

5. Architecture Protocolaire de l’UTRAN

Interface Uu - Canaux logiques

AAL2 dans l’UTRAN

Plan U (vision globale)

GTP-U (GPRS Tunneling Protocol for User plane) • tunnellisation des données utilisateur entre UTRAN et le 3G-SGSN • tunnellisation entre les GSN dans le réseau backbone • Encapsulation de toutes les PDU PDP

PDCP (Packet Data Convergence Protocol): • fournit une transparence de protocole (par rapport aux protocoles d'interface radio sous-jacents) pour les protocoles de couche supérieure • support pour, par exemple, IPv4, PPP et IPv6 (introduction facile de nouveaux protocoles de couche supérieure) • compression des informations de contrôle (compression d'en-tête) • pas de compression de données utilisateur en mode Iu (car l'efficacité de compression des données dépend du type de données utilisateur)

RLC (Radio Link Control): Le protocole RLC fournit un contrôle de liaison logique sur l'interface radio Il peut y avoir plusieurs liaisons RLC simultanées par MS; chaque lien est identifié par un identifiant de porteur (Bearer Id) .

MAC (Medium Access Control): Le protocole MAC contrôle les procédures de signalisation d'accès (demande et allocation) pour le canal radio.

6. Configuration de canal dans le réseau radio WCDMA La couche MAC est responsable de la mise en correspondance des canaux logiques avec les canaux de transport. Il fournit les services de transfert de données sur les canaux logiques. Comme d'habitude, les canaux logiques sont composés de canaux de contrôle et de trafic. Ceuxci sont à nouveau subdivisés en canaux communs et dédiés. Ces canaux ainsi que leurs fonctions sont indiqués dans le tableau

Structure et performance de la couche physique Dans un réseau radio WCDMA, la structure de la couche physique affecte directement les performances du réseau, de sorte qu'une certaine compréhension de ceci est nécessaire pour dimensionner le réseau. Transport Channels

Les canaux de transport sont de deux types : dédiés et communs. Les canaux listés dans le Tableau sont pour le mode de fonctionnement WCDMA_FDD. Il n'y a qu'une seule chaîne dédiée et les six autres sont communes. Un canal dédié (DCH)

Physical Channels Il existe deux types de canaux physiques : dédié et commun. Les canaux de transport indiqués cidessus sont mappés sur les canaux physiques. Ces canaux physiques ont une structure en couches de trames radio et de time slots portant des informations relatives aux couches

physiques. Les canaux physiques sont identifiés par une fréquence porteuse spécifique, des codes (channelisation /scrambling), des timings, etc