L’UMTS et le haut-débit mobile
UMTS
Présentation
Il existe plusieurs technologies 3G dans le monde. Chacune d’elles
suivent les recommandations IMT2000. Suivant les continents, la norme utilisée
est différente :
Europe : UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
Amérique : CDMA-2000
Japon et Corée : W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access)
Chine : TD-SCDMA
Ces normes permettent de transporter les données sans-fil à haut-débit sur la même connexion. La particularité des technologies 3G est d’avoir un réseau cœur IP.
L’UMTS est donc la norme de télécommunications de troisième génération utilisée en Europe et est basée sur la technologie W-CDMA (utilisée au Japon et Corée). Elle a été développée à partir de 2004 avec la Release 99 (R99). Sa bande de fréquence de fonctionnement est 1900MHz-2000MHz. Les spécifications techniques de cette norme sont développées au sein de l’organisme 3GPP.
L’UMTS est compatible avec tous les réseaux du monde du fait de la possibilité de roaming au niveau mondial. Le réseau UMTS ne remplace pas le réseau GSM existant puisque la coexistence entre ces deux réseaux est possible.
Plans des fréquences
Le schéma ci-dessous présente le plan de fréquence de la téléphonie de 3ème génération en Europe, Japon et Etats-Unis :
Figure 2 – Plan de fréquences pour la 3G
Hiérarchie des cellules de l'UMTS
Tout comme le réseau GSM, l’UMTS est divisé en plusieurs cellules de tailles variables. Chacune d’entre elles est présente en fonction de la densité de population à servir et de la vitesse de mobilité. L’accès par satellite est une extension.
Figure 3 – Hiérarchie des cellules de l’UMTS
Une pico-cellule permet des débits de l’ordre de 2 Mbits/s lors
d’un déplacement de l’ordre de 10 km/h (marche à
pied, déplacement en intérieur, etc.).
Une micro-cellule permet des débits de l’ordre de 384 kbits/s
lors d’un déplacement de l’ordre de 120 km/h (véhicule,
transports en commun, etc.).
Une macro-cellule permet des débits de l’ordre de 144 kbits/s
lors d’un déplacement de l’ordre de 500 km/h (Train à
Grande Vitesse, etc.).
Les services de l'UMTS
Le schéma ci-après présente les différents services que propose l’UMTS. Sur l’axe des ordonnées se trouve le débit demandé pour le service en question. Chacun des services est regroupé par leur type de connexion (bidirectionnel, unidirectionnel, diffusion point/multipoint).
Figure 4 – Les besoins en débit des services de l’UMTS
Le réseau UMTS
Le réseau UMTS est composé d’un réseau d’accès UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) et d’un réseau cœur.
Figure 5 – Architecture globale du réseau UMTS
Réseau d'accès Utran
Le réseau d’accès UTRAN est doté de plusieurs
fonctionnalités. Sa fonction principale est de transférer les
données générées par l’usager. Il est une
passerelle entre l’équipement usager et le réseau cœur
via les interfaces Uu et Iu. Cependant, il est chargé d’autres
fonctions :
- Sécurité : Il permet la confidentialité et la protection des informations échangées par l’interface radio en utilisant des algorithmes de chiffrement et d’intégrité.
- Mobilité : Une estimation de la position géographique est possible à l’aide du réseau d’accès UTRAN.
- Gestion des ressources radio : Le réseau d’accès est chargé d’allouer et de maintenir des ressources radio nécessaires à la communication.
- Synchronisation : Il est aussi en charge du maintien de la base temps de référence des mobiles pour transmettre et recevoir des informations.
Figure 6 – Architecture du réseau d’accès
NodeB :
Le rôle principal du NodeB est d’assurer les fonctions de réception
et de transmission radio pour une ou plusieurs cellules du réseau d’accès
de l’UMTS avec un équipement usager. Le NodeB travaille au niveau
de la couche physique du modèle OSI (codage et décodage). Nous
pouvons trouver deux types de NodeB :
Figure 7 – NodeB avec antennes sectorielles
Figure 8 – NodeB avec antenne omnidirectionnelle
Les interfaces de communication :
Plusieurs types d’interfaces de communication coexistent au sein du
réseau UMTS :
- Uu : Interface entre un équipement usager et le réseau d’accès UTRAN. Elle permet la communication avec l’UTRAN via la technologie CDMA.
- Iu : Interface entre le réseau d’accès UTRAN et le réseau cœur de l’UMTS. Elle permet au contrôleur radio RNC de communiquer avec le SGSN.
- Iur : Interface qui permet à deux contrôleurs radio RNC de communiquer.
- Iub : Interface qui permet la communication entre un NodeB et un contrôleur radio RNC.
RNC :
Le rôle principal du RNC est de router les communications entre le NodeB
et le réseau cœur de l’UMTS. Il travaille au niveau des
couches 2 et 3 du modèle OSI (contrôle de puissance, allocation
de codes).
Le RNC constitue le point d’accès pour l’ensemble des services
vis-à-vis du réseau cœur.
Exemple :
Lorsqu’une communication est établie par un équipement
usager, une connexion de type RRC (Radio Resource Control) est établie
entre celui-ci et un RNC du réseau d’accès UTRAN. Dans
ce cas de figure, le RNC concerné est appelé SRNC (Serving RNC).
Si l’usager se déplace dans le réseau, il est éventuellement
amené à changer de cellule en cours de communication. Il est
d’ailleurs possible que l’usager change de NodeB vers un NodeB
ne dépendant plus de son SRNC. Le RNC en charge de ces cellules distantes
est appelé « controlling RNC ». Le RNC distant est appelé
« drift RNC » du point de vue RRC. Le « drift RNC »
a pour fonction de router les données échangées entre
le SRNC et l’équipement usager.
Figure 9 – Représentation graphique de l’exemple de communication
Réseau coeur
Le réseau cœur de l’UMTS est composé de trois parties dont deux domaines :
- Le domaine CS (Circuit Switched) utilisé pour la téléphonie
- Le domaine PS (Packet Switched) qui permet la commutation de paquets.
- Les éléments communs aux domaines CS et PS
Le schéma représente l’architecture du réseau cœur de l’UMTS :
Figure 10 – Architecture du réseau cœur de l’UMTS
Eléments communs
Le groupe des éléments communs est composé de plusieurs modules :
- Le HLR (Home Location Register) représente une base de données des informations de l’usager : l’identité de l’équipement usager, le numéro d’appel de l’usager, les informations relatives aux possibilités de l’abonnement souscrit par l’usager.
- Le AuC (Authentication Center) est en charge de l’authentification de l’abonné, ainsi que du chiffrement de la communication. Si une de ces deux fonctions n’est pas respectée, la communication est rejetée. Le Auc se base sur le HLR afin de récupérer les informations relatives à l’usager et pour ainsi créer une clé d’identification.
- L’EIR (Equipment Identity Register) est en charge de la gestion des vols des équipements usagers. Il est en possession d’une liste des mobiles blacklistés par un numéro unique propre à chaque équipement usager, le numéro IMEI (International Mobile station Equipment Identity).
Le domaine CS
Le domaine CS est composé de plusieurs modules :
- Le MSC (Mobile-services Switching Center) est en charge d’établir la communication avec l’équipement usager. Il a pour rôle de commuter les données.
- Le GMSC (Gateway MSC) est une passerelle entre le réseau UMTS et le réseau téléphonique commuté PSTN (Public Switched Telephone Network). Si un équipement usager contacte un autre équipement depuis un réseau extérieur au réseau UMTS, la communication passe par le GMSC qui interroge le HLR pour récupérer les informations de l’usager. Ensuite, il route la communication vers le MSC dont dépend l’usager destinataire.
- Le VLR (Visitor Location Register) est une base de données, assez similaire à celle du HLR, attachée à un ou plusieurs MSC. Le VLR garde en mémoire l’identité temporaire de l’équipement usager dans le but d’empêcher l’interception de l’identité d’un usager. Le VLR est en charge d’enregistrer les usagers dans une zone géographique LA (Location Area).
Le domaine PS
Le domaine PS est composé de plusieurs modules :
- Le SGSN (Serving GPRS Support Node) est en charge d’enregistrer les usagers dans une zone géographique dans une zone de routage RA (Routing Area)
- Le GGSN (Gateway GPRS Support Node) est une passerelle vers les réseaux à commutation de paquets extérieurs tels que l’Internet.
L'interface radio de l'utran
Architecture en couches
L’interface radio de l’UTRAN est structurée en couches dont les protocoles se basent sur les 3 premières souches du modèle OSI (respectivement la couche physique, la couche liaison de données et la couche réseau).
Figure 11 - Vue en couches de l’interface radio UTRAN
Couche 1 :
Cette couche PHY représente la couche physique de l’interface
radio qui réalise les fonctions de codage, décodage, modulation
et d’entrelacement via W-CDMA.
Couche 2 :
Cette couche est divisée en plusieurs sous couches :
- La sous-couche MAC (Medium Access Control) a pour rôle de multiplexer les données sur les canaux de transport radio.
- La sous-couche RLC (Radio Link Control) permet la fiabilité du transport des données entre deux équipements du réseau.
- La sous-couche PDCP (Packet Data Convergence Protocol) permet de compresser les données via des algorithmes de compression. Cela permet d’exploiter plus efficacement les ressources radio. PDCP compresse les en-tetes des paquets TCP/IP suivant les RFC 1144 et 2507. De plus, cette sous-couche PDCP a aussi pour rôle de rendre indépendant les protocoles radio du réseau d’accès UTRAN (sous-couches MAC et RLC) par rapport aux couches de transport réseau. Ce type d’architecture permettra l’évolution future des protocoles réseaux sans modifier les protocoles radio de l’UTRAN.
- La sous-couche BMC (Broadcast/Multicast Control) est en charge d’assurer les fonctions de diffusion de messages sur l’interface radio.
Couche 3 :
Cette couche RRC (Radio Resource Control) gère la connexion de signalisation établie entre le réseau d’accès UTRAN et l’équipement usager, utilisée lors de l’établissement ou de la libération de la communication.
Transport des données
Suivant le type de données à transporter, la gestion du transport
des données est différente.
Commençons par détailler les trames relatives à la voix.
La couche PDCP n’est pas utilisée dans ce type de transport.
Les couches MAC et RLC sont employées en mode transparent, c'est-à-dire
qu’il n’y a pas de segmentation, ni de multiplexage.
En revanche, le transport d’un paquet IP, le mécanisme est différent.
Ce type de paquet N-PDU (Network PDU) provient du réseau cœur
de l’UMTS à destination du réseau d’accès
UTRAN. Tout d’abord, l’en-tête de la N-PDU est compressé
par la couche PDCP. La couche RLC segmente la PDU ainsi compressée.
Un en-tête est alors rajouté à la RLC-PDU par la couche
MAC lors du multiplexage.
Le schéma ci-dessous présente l’encapsulation des paquets
qui arrivent au réseau cœur de l’UMTS :
Figure 12 – Encapsulation des paquets TCP/IP à l’arrivée au réseau cœur
Les principes du W-CDMA
L'interface radio de l'UMTS se base sur le W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access). Cependant, le W-CDMA se base sur une technique plus ancienne qui est le CDMA (Code Division Multiple Access). Afin de comprendre les concepts du W-CDMA, il est important de comprendre la technique du CDMA.
CDMA
Le CDMA (Code Division Multiple Access) est utilisé dans de nombreux systèmes de communication. Il permet d’avoir plusieurs utilisateurs sur une même onde porteuse. Les transmissions sont numérisées, dites à étalement de spectre. L’étalement du spectre rend le signal moins sensible aux fluctuations sélectives en fréquence. Le signal est ainsi transmis sur une bande de fréquences beaucoup plus large que la bande de fréquences nécessaire.
Les avantages :
- Efficacité spectrale
- Sécurité de la transmission : le signal codé est détectable comme étant du bruit.
- Handover
- Gestion du plan de fréquences
- Concentration de trafic
Principe de l’étalement de spectre :
Le W-CDMA réalise un étalement de spectre selon la méthode
de répartition par séquence directe (Direct Sequence).
Pour cela, chaque bit de l’utilisateur à transmettre est multiplié
(OU exclusif) par un code pseudo aléatoire PN (Pseudo random Noise
code) propre à cet utilisateur. La séquence du code (constituée
de N éléments appelés "chips") est unique pour
cet utilisateur, et constitue la clé de codage. Cette dernière
est conservée si le symbole de donnée est égal à
1, sinon elle est inversée. La longueur L du code est appelée
facteur d’étalement SF (Spreading Factor).
Si chacun des symboles a une durée Tb, on a 1 chip toutes les Tb/N
secondes. Le nouveau signal modulé a un débit N fois plus grand
que le signal initialement envoyé par l'usager et utilisera donc une
bande de fréquences N fois plus étendue.
Nous avons donc une relation entre le débit initial et le débit
final du type :
Remarque : La relation ci-dessus nous permet de dire que plus le facteur
d’étalement SF est élevé, plus le Débit
Chip sera élevé. Cela implique que le débit de données
du canal sera élevé. Les canaux à débits variables
peuvent être libérés en fonction des besoins de l’utilisateur.
Figure 13 – Principe de l’étalement de spectre
Afin de pouvoir lire le message codé envoyé, le récepteur doit réaliser la même opération. En effet, ce dernier génère la même séquence d’étalement qu’il multiplie au signal reçu afin d’obtenir les données. Les données des autres utilisateurs (pas de multiplication avec la séquence d’étalement) restent étalées.
Codes d’étalement :
Chaque utilisateur possède un code, il est donc nécessaire de
n’avoir aucune interférence entre ceux-ci. Pour cela, nous utilisons
des codes orthogonaux dits codes OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor
Code) afin de modifier le facteur d’étalement et de conserver
l’orthogonalité des différents codes d’étalement.
Ces codes sont définis par un arbre OVSF où chaque nœud
possède 2 fils. Les codes des 2 fils sont issus du code de leur père
commun, c'est-à-dire que leur code est composé par le code du
père et de son complémentaire. L’arbre des codes OVSF
ainsi créé peut être représenté sous la
forme de la matrice de Hadamard.
Figure 14 – Arbre des codes OVSF
L’arbre ci-dessus, nous montre la relation entre le facteur d’étalement
et le nombre de codes disponibles pour un étalement donné. Il
est important de savoir que le facteur d’étalement SF détermine
la longueur du code.
Le nombre de bits dans les trames des canaux dédiés pour le
transfert des données se trouve par l’intermédiaire de
la relation suivante :
Comme k est compris entre 0 et 6, les valeurs du facteur d’étalement SF peut être égal à 7 valeurs.
k | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
SF | 256 | 128 | 64 | 32 | 16 | 8 | 4 |
Dans un tel arbre, il n’est possible d’utiliser tous les codes OVSF simultanément. Comme nous l’avons vu, le code de chaque nœud est déterminé en fonction du code du nœud père. Cela implique donc que pour une branche, les codes ont une relation entre eux, ce qui empêche l’utilisation d’autres codes lorsque l’un d’entre eux est utilisé.
Figure 15 – Utilisation des codes OSVF
La figure ci-dessus nous indique que le code est utilisé, ce qui empêche tous les autres codes de la même branche d’être utilisés. Cette règle impose une contrainte forte sur les disponibilités des canaux pour le haut-débit, ce qui implique que le nombre d’utilisateurs simultanés en téléchargement de données est limité.
Contraintes
Il existe certaines contraintes quant à l’utilisation de cette technologie.
L'effet near-far
On parle d’effet near-far lorsqu’un appareil mobile émet
à une puissance trop élevée qui empêche tous les
autres appareils mobiles du voisinage. L’appareil mobile à forte
puissance éblouit son entourage.
Prenons par exemple un appareil mobile émetteur se trouvant au pied
de la station de bases et d’autres appareils mobiles en périphérie
dont leur puissance qui arrive au pied de la station de base est affaiblie
par la distance. Ces dernières seront masquées par le signal
de l’émetteur puissant.
Pour remédier à ce problème, il est possible de mettre
en place un système de contrôle de puissance. Le système
de contrôle rapide en boucle fermée (Closed-loop Power Control)
a été retenue pour le W-CDMA. Ce système permet à
la station de base de réaliser des estimations régulières
(1500 fois par seconde pour chaque mobile) du rapport signal à interférence
(Signal to Interference Radio) en les comparant avec la valeur du rapport
signal à interférence du destinataire. Si l’estimation
de cette valeur est supérieure à la valeur du destinataire,
la station de base demande à l’appareil mobile concerné
de réduire sa puissance d’émission ou de l’augmenter.
Le contrôle de puissance permet à la station de base de recevoir
les signaux de même puissance. Ce mécanisme permet de prendre
en compte tout type de variation d’affaiblissement.
Le schéma ci-dessous illustre ce phénomène de near-far.
En effet, nous avons 3 équipements mobiles qui sont connectés
à la même station de base. Cependant, du fait de leur distance
à celle-ci, leur puissance est différente à l’arrivée
du signal à la station de base.
Figure 16 – Effet Near-Far
Les deux schémas ci-dessous présentent les puissances reçues par la station de base sans et avec contrôle de puissance :
Sans contrôle de puissance
Figure 17 – Comparaison des puissances sans contrôle de puissance
Avec contrôle de puissance
Figure 18 – Comparaison des puissances avec contrôle de puissance
Les handovers
Les appareils mobiles permettent de communiquer en mouvement. Cela implique
qu’il arrive que ceux-ci se retrouvent dans une zone de chevauchement
de deux cellules. Il ne faut en aucun cas couper une communication. Il existe
plusieurs sortes de handovers :
- Softer handover : lorsqu’un appareil mobile se trouve dans une zone 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.
Figure 19 – Exemple de soft handover
- 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
Figure 20 – Exemple de hard handover
Le fast-fading
On appelle Fast-Fading l’annulation de deux ondes déphasées
d’une demi-longueur et ayant emprunté plusieurs parcours.
Prenons comme exemples deux ondes ayant une différence de longueur
égale à une demi-longueur d’onde ; elles arrivent pratiquement
au même moment au récepteur. Leur déphasage d’une
demi-longueur fait qu’elles s’annulent à cet instant. Cela
est du aux différents parcours empruntés par les ondes. L’autre
facteur d’une telle annulation est le fait que le récepteur soit
immobile ou se déplace à faible vitesse.
Cependant, il est possible de remédier à ce problème
par l’intermédiaire de protocoles de codage, d’entrelacement
et de retransmission qui ajoutent de la redondance et de la diversité
temporelle au signal. Ainsi, malgré les atténuations des signaux,
le récepteur sera apte à récupérer les données
envoyées. De plus, il est possible de recombiner l’énergie
du signal en utilisant de multiples récepteurs à corrélation.
Ces derniers corrigent tous les changements de phase ou d’amplitude.
Les trajets multiples
La transmission des signaux dans un canal est caractérisée par de 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 variables 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 de 2 µs en ville à 20 µs dans des zones vallonnées. Il est donc impératif que le récepteur sache identifier et séparer les différentes composantes dans le but de reconstituer les données.
W-CDMA
Le W-CDMA se base sur le CDMA mais utilise une bande passante plus large ce qui implique des débits supérieurs.
Multiplexage
Le W-CDMA propose deux types de multiplexage : le FDD (Frequency Division Duplex) et le TDD (Time Division Duplex).
Le multiplexage de type FDD utilise une bande passante de 5 Mhz pour le débit
descendant, et une bande passante de 5 Mhz pour le débit montant. Le
débit maximal supporté par un seul code est de 384 kbit/s. Afin
de pouvoir supporter un débit de 2 Mbit/s, plusieurs codes sont nécessaires.
Le multiplexage de type TDD n'utilise qu'une seule bande passante de 5 Mhz
divisée en portions de temps (time slot) utilisables aussi bien pour
le débit montant que pour le débit descendant. Elle comprend
donc une composante TDMA (Time Division Multiple Access) en plus de la séparation
par code. Cela permet d’obtenir une large gamme de débits de
services en allouant plusieurs codes ou plusieurs intervalles de temps à
un utilisateur.
Scrambling
Le scrambling, réalisé par l’émetteur, permet de séparer les différents signaux d’une même station de base ou d’un même terminal sans modifier ni le débit, ni la bande passante. Cela permet d’étaler un signal par plusieurs émetteurs avec le même code d’étalement sans compromettre la détection des signaux par le récepteur. Il existe un arbre de codes d’étalement pour chaque code de scrambling, ce qui permet aux émetteurs d’utiliser leurs arbres de codes indépendamment.
Figure 21 – Le mécanisme de scrambling
Relations entre le code d’étalement et le code de scrambling :
Fonctionnalités | Code d’étalement | Code de scrambling |
---|---|---|
Famille de codes | OVSF | Gold |
Utilisation | Débit montant : Séparation des canaux de données
d'un même terminal. Débit descendant : Séparation des connexions des différents utilisateurs d'une même cellule. |
Débit montant : Séparation des terminaux. Débit descendant : Séparation des cellules. |
Comparaison du W-CDMA avec la 2G
Le W-CDMA est doté de nombreux avantages par rapport aux technologies
utilisées dans la seconde génération (2G) de télécommunications
mobiles.
La sécurité est nettement améliorée. En effet,
le signal, perçu comme un bruit, est codé par une séquence
connue uniquement par l’émetteur et le récepteur.
La sensibilité aux interférences extérieures est réduite
puisque les brouilleurs sont réduits lors du desétalement.
Plusieurs émetteurs peuvent partager la bande passante. Cela permet
d’obtenir des débits supérieurs, en plus d’être
variables. De plus, ce partage évite le multiplexage existant en 2G.
La qualité de service
L’UMTS propose 4 classes de qualité de services selon les applications :
- La classe Conversational qui permet aux conversations vocales de proposer une bande passante contrôlée avec échange interactif en temps réel avec un minimum de délai entre les paquets.
- La classe Streaming qui permet aux services de streaming de fournir une bande passante continue et contrôlée afin de pouvoir transférer la vidéo et l’audio dans les meilleures conditions.
- La classe Interactive destinée à des échanges entre l’équipement usager et le réseau comme la navigation Internet qui engendre une requête et une réponse par le serveur distant.
- La classe Background, qui affiche la plus faible priorité, permet des transferts de type traitements par lots qui ne demandent pas de temps réel et un minimum d’interactivité (envoi et réception de messages électroniques).