Réseaux Radiomobiles : Des systèmes analogiques au haut débit mobile

26/08/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2011-5:19576
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Réseaux Radiomobiles : Des systèmes analogiques  au haut débit mobile

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REE N°5/2011 ◗ 71 la quatrième génération des systèmes mobiles Nicolas Dailly, Patrice Collet 1. Les systèmes cellulaires 1.1. Caractéristiques et contraintes Un système cellulaire est un système de ra- diocommunication qui vise à fournir des possi- bilités de communication à des utilisateurs en situation de mobilité, lente ou rapide, sur une zone géographique donnée. A leurs débuts, les systèmes cellulaires couvraient des zones res- treintes ; la couverture à l’échelle quasi-nationale et le fonctionnement international sont ensuite rapidement devenus nécessaires. La zone géo- graphique à couvrir est découpée en cellules desservies par une station radio. Les opérateurs de réseaux cellulaires doivent gérer au mieux les bandes de fréquences radio qui leur sont attri- buées afin de couvrir l’ensemble du territoire, tout en assurant l’accès au réseau à tous les utili- sateurs avec un niveau de qualité de service sa- tisfaisant. Ces deux aspects conduisent à traiter la problématique de la planification et du dimen- sionnement de ces réseaux. Le mobile pouvant se déplacer d’une cellule à une autre, entre ou au cours des communi- cations, le réseau cellulaire doit connaître celle dans laquelle se trouve l’abonné et, en cas de mobilité, assurer sans rupture de la communica- tion le passage du mobile d’une cellule à l’autre. Des procédures spécifiques aux réseaux cellu- laires doivent donc permettre les trois fonctions suivantes : • La localisation, qui permet de localiser l’abonné dans le réseau afin d’activer différents services entrant (réception d’appel, réception de SMS...). • Le transfert inter-cellulaire (handover), qui per- met à l’utilisateur de continuer à bénéficier d’un service actif au cours de ses déplacements. • L’itinérance – nationale, voire internationale – qui permet à l’utilisateur d’accéder à ses servi- ces, quel que soit l’endroit où il se trouve. Les systèmes cellulaires doivent également tenir compte des contraintes énergétiques des terminaux. Le système doit être conçu pour éco- nomiser la batterie et éviter des rayonnements trop importants vers les utilisateurs. 1.2. Les différentes générations de systèmes cellulaires Les systèmes cellulaires ont connu de grandes évolutions technologiques au cours de ces der- nières années. On les classe, généralement, en fonction de leur génération. Les systèmes de pre- mière génération sont analogiques, avec une si- gnalisation numérique. Les systèmes de seconde génération et suivants sont totalement numéri- ques. Chaque génération a connu des évolutions permettant d’étendre leurs capacités en termes de services, c’est pourquoi des générations inter- calaires sont souvent mises en avant. 1.3. Les systèmes analogiques Les premières générations de systèmes cellulaires utilisent des techniques analogiques et limitent leur champ de service à la communication vo- Réseaux Radiomobiles : Des systèmes analogiques au haut débit mobile After a brief introduction about mobile cellular systems history, this paper describes how 3GPP mobile systems evolved from GSM to 3G+. Network architecture and end user services aspects are presented. abstract 72 ◗ REE N°5/2011 la quatrième génération des systèmes mobiles cale. Elles apparaissent au cours des années 1980. Les développements de systèmes radio mobiles sont la plupart du temps nationaux. Les services qu’ils offrent restent, en général, coûteux, et sont souvent réservés aux utilisateurs professionnels : les terminaux sont volu- mineux, et le plus souvent embarqués dans des véhicu- les. On ne parle pas de téléphones portables, mais plus de téléphones embarqués ou transportables. Quelques systèmes analogiques ont eu un déploiement dépassant les pays l’ayant promu. On peut citer parmi eux le système NMT – Nordic Mobile Telephone – spécifié par les pays scandinaves et déployé dans de nombreux pays européens. En 1985, 110 000 clients scandinaves utilisaient le standard NMT. En Amérique du Nord, c’est le système AMPS – Advanced Mobile Phone System – qui a été largement déployé. C’est l’opérateur historique, France Telecom, qui a déployé le premier réseau cellulaire en France. Son sys- tème – Radiocom 2000 – fut lancé en 1986. En 1988, la Société Française de Radiotéléphone, déploie le pre- mier réseau concurrent de celui de France Telecom. C’est un système basé sur la norme NMT. En France, ces systèmes de première génération fonctionnaient dans des bandes de fréquences autour de 400 Mhz pour Radiocom 2000 et de 450 Mhz pour NMT. Ces systèmes fonctionnaient en mode FDMA - Frequency Division Multiple Access : une bande de fré- quences était réservée pour la voie montante et une autre pour la voie descendante. Ces systèmes inté- graient également la fonction de handover, qui permet- tait de maintenir la communication des utilisateurs au cours de leurs déplacements. Les technologies analogiques n’offraient guère de perspectives de réduction de coût des systèmes mobiles. A cela s’ajoutait le fait qu’ils étaient souvent spécifiques à chaque pays, ou, au mieux, configurés indépendamment d’un pays à l’autre, rendant ainsi leurs coûts très élevés, ce qui par conséquent, limitait leur diffusion grand public. De plus l’absence d’intero- pérabilité empêchait un abonné d’utiliser son terminal à l’étranger. Au moment où les différents laboratoires européens commençaient à montrer la faisabilité de systèmes cellulaires numériques, ces considérations ont conduit les instances Européennes à imposer une norme commune à tous les pays européens. 2. GSM : réseau de téléphonie mobile numérique 2.1. Les origines de la norme En 1979, l’Union Internationale des Télécommunica- tions – UIT ou ITU – décide de réserver une bande de fréquences autour de 900 MHz pour les services mobi- les. En 1982, un groupe d’études est créé par la Confé- rence Européenne des Postes et Télécommunications (CEPT), en vue de la création d’une norme de télépho- nie mobile : c’est le GSM – Groupe Spécial Mobile. En 1985, la Commission de la Communauté européenne décide d’imposer la norme GSM à tous les pays de la Communauté européenne. Un protocole d’accord est signé en 1987 par les opérateurs mobiles de 13 pays européens en vue de l’ouverture, en 1991, d’un service mobile fondé sur les spécifications du GSM. En 1988, l’ETSI prend la suite de la CEPT pour la normalisation du GSM. Le sigle GSM prend alors sa signification actuelle, “Global System for Mobile communications”. C’est en 1992 que les deux opérateurs français – France Telecom et SFR – ouvriront commercialement leur réseau GSM. En 1995, une licence sera accordée à Bouygues Telecom pour le lancement du service GSM Générations Systèmes Français / Européens Autres systèmes 1G Radiocom 2000 (France Telecom) - NMT (SFR) AMPS (norme ANSI), TACS, C-NETZ (Deutsche Telekom) 2G GSM (normes ETSI – GSM phase 1 - 1992) IS 95 (Qualcomm), iDEN (Motorola) 2,5G GPRS (3GPP release 97) 2,75G / 3G E-GPRS / EDGE (3GPP release 98) 3G UMTS (3GPP release 99) CDMA 2000 (3GPP2) WiMAX (IEEE 802.16e) 3,5G HSDPA (3GPP release 5) 3,75G HSUPA (3GPP release 6) 3,99G 3G LTE (3GPP release 8) 4G LTE-Advanced (3GPP release 10) WiMAX (IEEE 802.16m) Tableau 1 : Classification des différentes générations de systèmes radiomobiles. REE N°5/2011 ◗ 73 Réseaux Radiomobiles : Des systèmes analogiques au haut débit mobile Figure 1 : Architecture du réseau GSM. dans la bande des 1 800 MHz. Fin 1993, les réseaux GSM comportent déjà dans le monde plus d’un million de clients. 2.2. Principes Le système GSM est entièrement numérique. Au niveau de l’accès au support et des mécanismes de signalisation, il s’inspire directement du RNIS – Réseau Numérique à Intégration de Service. Sur le segment radio, la voix est initialement numé- risée à un débit de 13 kbits/s. Un codec demi-débit est rapidement proposé, à 5,6 kbits/s, permettant de faire passer simultanément deux communications sur un même canal radio, au prix d’une légère dégradation de la qualité vocale. Pour assurer l’interfonctionnement avec le service fixe, la voix est ensuite transcodée à 64 kbit/s au sein de l’infrastructure fixe. Un service de transport de données à bas débit, en commutation de circuits à 9,6 kbits/s est également proposé. Le transport de signalisation, fondé sur le système CCITT N°7, permet la réception et l’envoi de messages courts ou SMS – Short Message Service. Ces messages devaient à l’origine permettre l’envoi d’informations de service aux terminaux et utilisateurs. Ils ont eu un suc- cès inattendu auprès du grand public. 2.3. Architecture Le réseau GSM est divisé en deux sous ensembles, le sous système radio, appelé BSS – Base Station Sub- system – chargé de la gestion des ressources radio, et le sous système réseau, appelé NSS – Network Subsys- tem – qui assure l’acheminement des appels. Le BSS comporte les stations de bases – ou BTS – Base Tranceiver Stations – et les contrôleurs de sta- tions de base – BSC – Base Station Controler. Les BTS sont des émetteurs/récepteurs qui gèrent les aspects physiques de la transmission radio  : modulation/dé- modulation, codage, chiffrement, mesure de puissan- ce, partage temporel de la ressource radio... Les BSC commandent les stations de base. Ils décident de l’al- location de ressources aux utilisateurs et exploitent les mesures de réception effectuées par les mobiles et les stations de base pour décider du déclenchement des handovers. Les BSC dialoguent avec les mobiles et les BTS via la signalisation de niveau RR – Radio Ressour- ces. Ils concentrent les trafics émis par les mobiles vers le NSS et en particulier les MSC. Dans le sous système réseau, on trouve principale- ment deux types d’équipements : des commutateurs téléphoniques et des bases de données. Par rapport à un réseau fixe traditionnel, les abonnés ne sont évi- 74 ◗ REE N°5/2011 la quatrième génération des systèmes mobiles demment pas rattachés en permanence à un commu- tateur mobile : ils dépendent d’un réseau qu’on appelle le réseau nominal et en se déplaçant peuvent chan- ger de BTS, de commutateur mobile, voire de réseau. Lorsqu’un client souscrit à un réseau GSM, des données qui caractérisent le service auquel il a souscrit sont no- tées dans une base de données du réseau qu’on appel- le l’enregistreur de localisation nominal (HLR ou Home Location Register). A la mise en marche de leurs terminaux, les abonnés sont localisés et rattachés à une zone de localisation. Cha- que zone de localisation est desservie par un commuta- teur mobile MSC (Mobile Switching Center) et une base de données associée appelée enregistreur de localisation visitée (VLR Visited Location Register). Le MSC gère les communications des abonnés situés dans les zones de localisation sous son contrôle. Le VLR contient les infor- mations sur les mobiles enregistrés dans les zones de localisation qui lui sont rattachées. Le MSC communique avec le mobile via les signalisations MM – Mobility Mana- gement – et CM – Connection Management. Le HLR est informé de la zone de localisation de tous les clients mobiles qu’il dessert (un réseau peut compor- ter plusieurs machines HLR, mais un client donné n’est géré que par un seul HLR). D’autres fonctions sont as- sociées au HLR, l’AUC – Authentification Center - et l’EIR – Equipment Identity Register – qui sont des bases de données permettant d’authentifier les utilisateurs et de gérer une liste noire des mobiles volés. Les mises à jour et les interrogations du HLR sont assurées via un pro- tocole de signalisation appelé MAP (Mobile Application Part) porté par un réseau de signalisation CCITT N°7. L’architecture du système est arborescente et permet de gérer la localisation du mobile par étapes successi- ves. Ainsi, quand un appel à destination d’un abonné mobile se présente, le premier commutateur mobile rencontré, qu’on appelle le GMSC – Gateway MSC –, interroge le HLR pour savoir par quel MSC/VLR l’appelé est desservi. Une liaison est alors établie entre le GMSC et le MSC de rattachement du mobile. Le MSC/VLR connaît la zone de localisation du mobile (zone sous son contrôle) et va alors diffuser un message dans cet- te zone pour indiquer au mobile qu’un service entrant lui est destiné : c’est la procédure de paging. Le mobile répond au réseau. Il est alors localisé à la cellule près. Le service peut alors être établi au sein du BSS. Le BSS assure un service support vis à vis du NSS. En cours d’appel l’abonné peut, ainsi, se déplacer dans le réseau d’accès sans que le NSS soit sollicité. Seul le cas des handover inter-MSC nécessite l’intervention du NSS pour assurer la continuité de l’appel. Dans ces cas, c’est cependant toujours le BSC qui est à l’initiative de la procédure. Au-delà des entités spécifiques au service mobile, la mise en œuvre des réseaux mobiles implique, évidem- ment, une infrastructure de transmission en charge de connecter ces entités. Les BTS doivent être reliées aux BSC, eux mêmes connectés aux MSC. Ces liens de des- serte sont évidemment très nombreux et sont consti- tués dans les réseaux GSM, à l’origine, par des liens E1 à 2 Mbit/s loués aux opérateurs disposant d’infrastruc- tures. Les MSC d’un même réseau sont interconnectés par des circuits à 64 kbit/s portés en général par des multiplex E1 ou des multiplex SDH d’ordre supérieur. 2.4. Interface radio Dans la version initiale du GSM, deux bandes de fré- quences avaient été réservées : 890-915 MHz pour la voie montante, 935-960 MHz pour la voie descendan- te. Plus tard, le GSM a été adapté à d’autres bandes : 1 710-1 785 MHz/1 805-1 880 MHz pour le système DCS – Digital Cellular System – et 925-935 MHz/880- 890 MHz pour le système E-GSM (GSM étendu). Ces bandes de fréquences ont été découpées en sous bandes de 200 kHz appelées porteuses. L’écart duplex – écart entre la voie montante et la voie des- cendante - est de 45 MHz pour les systèmes GSM et E-GSM, qui offrent respectivement 124 et 50 porteu- ses. Il est de 95 MHz pour le système DCS qui com- porte 374 porteuses. Les sous-bandes sont elles même partagées en temps entre 8 utilisateurs suivant une structure de trame AMRT – Accès Multiple à Répartition dans le Temps (TDMA – Time Division Multiple Access). Cha- que intervalle de temps a une durée de 577 µs, soit une périodicité de 4,6 ms. La modulation utilisée est GMSK – Gaussian Minimum Shift Keying. Pour communiquer, chaque mobile utilise un ca- nal radio, c’est-à-dire un des intervalles de temps de l’une des trames TDMA de la cellule. Le nombre de canaux disponibles dans chaque cellule dépend donc directement du nombre de porteuses mises en place (8 canaux par porteuse). Deux canaux sont également utilisés pour la gestion du réseau : diffusion d’informa- tions système, gestion des accès au réseau, procédures de mise à jour de localisation. REE N°5/2011 ◗ 75 Réseaux Radiomobiles : Des systèmes analogiques au haut débit mobile 2.5. La carte SIM L’une des grandes innovations du GSM est l’indé- pendance entre le terminal et l’abonné. Auparavant, les deux étaient liés : c’était le terminal, appartenant à un abonné, qui s’enregistrait sur le réseau. Avec le système GSM, le terminal en lui même n’est plus qu’un émetteur récepteur évolué. C’est une petite carte à puce, la carte SIM – Subscriber Identity Module - qui identifie l’utilisa- teur. Elle contient ses données d’authentification et un certain nombre de données personnelles – comme par exemple la liste de ses contacts et quelques messages courts. Il est alors très facile de changer de portable : il suffit de transférer la carte SIM d’un mobile à un autre. Une « petite » innovation qui a fortement accéléré le cycle de renouvellement des terminaux. 3. GPRS/EDGE : le transport de donnés en mode paquet 3.1. Motivations Le système GSM a connu une diffusion rapide auprès du grand public. Son développement à grande échelle a coïncidé avec l’explosion de la demande d’accès à In- ternet sur les réseaux fixes, demande satisfaite d’abord par l’accès commuté à bas débit puis par l’accès haut débit sur ADSL. La possibilité d’accéder à Internet via un mobile peut être satisfaite en utilisant la commutation de circuit offerte par le GSM. Cette solution n’offre ce- pendant qu’un débit très réduit et n’est guère efficace en termes d’utilisation des ressources face à des trafics hautement sporadiques comme ceux engendrés lors de consultation de sites sur Internet. Optimiser le transport de données en mode paquets et augmenter la qualité de service – principalement les débits crête et les temps de latence – et ont été les deux moteurs principaux de l’évolution des systèmes GSM. à ces enjeux, il faut ajou- ter la convergence de tous les réseaux vers les technolo- gies du monde IP, mouvement sur lequel le monde des réseaux mobiles ne pouvait faire l’impasse. Le système GPRS – General Packet Radio Service – a été conçu pour s’affranchir des limites de la commuta- tion de circuits. C’est un service d’accès qui fonctionne en mode paquet sur l’interface radio et qui permet d’ac- céder à des réseaux de données de type IP. 3.2. Interface Radio L’interface radio GPRS a été conçue pour reprendre la même structure que l’interface radio GSM – une trame TDMA à 8 slots – mais partagée de façon dynamique entre les différents utilisateurs. En GPRS, plusieurs inter- valles de temps - ou slots - sont utilisés pour le trafic de données en mode paquet. Ces slots sont partagés entre les différents utilisateurs GPRS, qui ne les utilisent que quand ils ont des données à transmettre. Par ailleurs, Figure 2 : Architecture du réseau GPRS / E-GPRS. 76 ◗ REE N°5/2011 la quatrième génération des systèmes mobiles ces utilisateurs peuvent utiliser plusieurs slots succes- sifs de la même trame pour transmettre et recevoir. Le débit crête offert aux clients croît avec le nombre de slots utilisés. Le débit est généralement asymétrique : la plupart des mobiles utilisent un ou deux slots en voie montante, et jusqu’à quatre slots en voie descendante. Ce principe de partage est une solution relativement efficace tant que peu d’utilisateurs ont simultanément recours au service GPRS. L’abonné peut alors être fac- turé au volume de données transmises, et non plus à la durée d’utilisation des circuits. En pratique, les services GSM et GPRS cohabitent : dans une cellule, deux slots sont utilisés pour transporter les informations système, les canaux de contrôle commun et la signalisation dé- diée, 4 à 6 slots sont utilisés pour le service GPRS, et le restant est utilisé pour le service GSM. Ce mode de fonctionnement n’entraîne que des modifications mineures au niveau des réseaux d’accès existants. Un CCU – Codec Control Unit – est ajouté au niveau des stations de base et un PCU – Packet Control Unit – au niveau des BSC. Les débits unitaires théoriques vont de 9,05 à 21,4 kbits/s/slot. Les débits réels consta- tés sont cependant plus proches de 13,4 kbits/s/slot. Le PCU contrôle l’accès des utilisateurs à la ressource radio. 3.3. Le réseau cœur paquet Si le BSS ne subit pas de modification profonde avec le GPRS, le NSS voit apparaître deux nouveaux équipe- ments : le SGSN – Serving GPRS Support Node et le GGSN – Gateway GPRS Support Node. Ce sont tous deux des routeurs capables d’assurer le transport des données. Le SGSN collecte le trafic en provenance des BSC et le transfère à la passerelle de sortie du réseau : le GGSN. Le GGSN assure l’interface avec les réseaux de don- nées externe. Au moment de l’enregistrement GPRS d’un terminal, un contexte PDP – Packet Data Protocol – est crée dans le SGSN. Lorsque des données sont à transmettre, le terminal demande l’activation du contexte PDP et ainsi provoque la mise en place d’une connexion avec un réseau externe. Cette demande contient les informations de connexion nécessaires au mobile pour communiquer, et permet de négocier une qualité de service. Le mobile est alors connecté au GGSN par un tunnel GPRS offrant un service support de niveau 2 ; il est théoriquement possible de l’utiliser et de l’adapter à différents types de protocoles, même si IP reste le prin- cipal protocole utilisé. Dans ce cas, à l’établissement du tunnel une adresse IP temporaire est fournie au termi- nal : il peut alors émettre et recevoir des paquets IP. 3.4. E-GPRS E-GPRS – Enhanced GPRS – est une évolution du système GPRS dans laquelle la transmission est réalisée par une modulation 8 PSK. Cela introduit des schémas de codage offrant des débits théoriques allant 8,8 à 59,2 kbit/s/slot. En pratique, avec un mobile de classe multislot 4+2 utilisant un schéma de codage MCS-6 (29,6 kbit/s avec une modulation 8-PSK), on peut at- teindre un débit de 118,4 kbit/s en téléchargement, et 59,2 kbit/s en voie montante. Le point faible du systè- me GPRS/EDGE reste le temps de latence requis pour la réactivation d’un canal radio lorsque le mobile n’a pas émis depuis une certaine période. E-GPRS est aussi appelé EDGE - Enhanced Data ra- tes for Global Evolution. Il est reconnu comme étant un système de troisième génération, même s’il ne permet pas des débits aussi importants que l’UMTS. 4. UMTS : l’Internet mobile 4.1. Origines de la norme Le GSM a connu un succès international et grand public. La troisième génération de normes mobiles se devait, elle aussi, d’être adoptée sur le plan internatio- nal, et de dépasser les limites technologiques que pré- sentaient les systèmes de seconde génération. L’un des objectifs de la troisième génération était, notamment, de fournir de nouveaux services, comme la visiophonie – qui a eu un succès mitigé – et surtout l’Internet mo- bile – qui a du attendre l’arrivée des smartphones pour rencontrer un réel engouement. Fin des années 90, deux normes de seconde géné- ration se partageaient le marché : le GSM, développé par les européens, et le système IS-95, développé pour les réseaux nord-américains. De nombreuses études ont précédé l’adoption des normes de troisième géné- ration. En 1999, deux groupes de travail ont été chargés de définir ces normes  : le 3GPP – Third Generation Partnership Project – et le 3GPP2. Le 3GPP a défini la norme UMTS – Universal Mo- bile Telecommunication System. Elle spécifie un nou- veau réseau d’accès, l’UTRAN – UMTS Radio Access Network – et fait appel à l’architecture du cœur de réseau GSM/GPRS (NSS), adaptée en conséquence. REE N°5/2011 ◗ 77 Réseaux Radiomobiles : Des systèmes analogiques au haut débit mobile C’est également le 3GPP qui, à partir de ce moment, a été chargé de faire évoluer les normes GSM/E-GPRS. La normalisation des systèmes GSM/EDGE et UMTS au sein du 3GPP a été décisive pour le devenir de la nor- me. Une préoccupation importante dans le développe- ment de la norme a été l’interfonctionnement des deux systèmes, GSM et UMTS, permettant aux opérateurs un déploiement progressif de la norme 3G. Un utilisateur d’un terminal UMTS, dans une zone non couverte par la 3G, peut ainsi continuer à téléphoner sur le système GSM si celui-ci est disponible. Le 3GPP2 a, quant à lui, travaillé à la normalisation du système CDMA 2000, dérivé du système IS-95, ainsi que ses évolutions visant à augmenter ses débits et sa qualité de service. Les systèmes définis au sein du 3GPP2 au-delà de CDMA-2000 ont cependant ren- contré moins de succès. La norme 4G UMB – Ultra Mobile Broadband – n’est actuellement pas supportée par les constructeurs et opérateurs, qui lui préfèrent le système WiMAX défini par l’IEEE défini par le 3GPP. 4.2. Architecture de l’UTRAN L’UMTS définit une nouvelle interface radio et un nouveau réseau d’accès. L’architecture globale est assez similaire à celle du GSM. Les terminaux mobiles appe- lés équipements utilisateur – UE – User Equipment in- tègrent une carte SIM améliorée appelée USIM – UMTS SIM – qui permet notamment une authentification mu- tuelle. Les stations radio, appelées Node-B, sont com- mandées par le RNC – Radio Network Controler – qui assure aussi le transport des flux média vers le cœur du réseau. Le réseau d’accès offre un service de support radio indépendant du cœur du réseau. Quand il est actif, le mobile possède des RAB – Radio Access Bearer – qui sont des canaux de communication avec le cœur du réseau. L’UTRAN se doit de maintenir ces RAB au cours du déplacement d’un mobile. Pour ce faire, une inter- face optionnelle a été définie entre les RNC : l’interface Iur. Cette interface permet notamment de gérer les handover inter-RNC sans solliciter le cœur de réseau. L’introduction de la 3G nécessite des adaptations au niveau des MSC et des SGSN : il faut, notamment, y ajouter de nouvelles interfaces de raccordement fon- dées sur les techniques ATM, pour pouvoir y relier les RNC. 4.3. Interface radio L’UMTS définit une nouvelle interface radio, basée sur la technologie W-CDMA – Wideband Code Division Multitple Access. Suivant ce principe, tous les utilisa- Figure 3 : Architecture du réseau UMTS. 78 ◗ REE N°5/2011 la quatrième génération des systèmes mobiles teurs émettent dans la même bande, de largeur 5 MHz. Des codes orthogonaux permettent de différencier les signaux appartenant aux différents utilisateurs et aux différentes stations de bases. Les codes mis en œu- vre sont de type OVSF – Orthogonal Variable Spreading Factor – combinés à des codes d’étalement de spectre. L’inconvénient des systèmes CDMA est qu’il faut veiller à ce que le niveau d’interférence reste convenable, car tous les utilisateurs émettent dans la même bande de fréquence. Un contrôle de puissance d’émission des mobiles assez fin doit donc être mis en place. En UMTS, les différentes stations de base utilisent la même bande de fréquence. Un mobile peut donc communiquer avec plusieurs stations de base en même temps. Cela permet notamment, au moment du handover, d’activer une connexion avec une nouvelle cellule avant de supprimer l’ancienne connexion : c’est le principe du soft-handover. Deux options ont été retenues pour la séparation de la voie montante et descendante en UMTS. Un mode TDD – Time Division Duplex – qui n’a pas été déployé commercialement et un mode FDD – Frequency Di- vision Duplex. Dans ce dernier mode, la bande de 1 920 MHz à 1 980 MHz a été réservée pour les liens montants et celle de 2 110 MHz à 2 170 MHz pour la voie descendante. Ces bandes sont subdivisées en sous bandes de 5 MHz, l’écart duplex étant de 190 MHz. Les débits que l’on peut atteindre en UMTS sont théoriquement de 1,920 Mbit/s. Les débits constatés sont cependant moindre, de l’ordre de 384 kbit/s. 4.4. HSDPA / HSUPA L’UMTS a connu deux évolutions de son interface radio afin d’offrir des débits plus importants aux uti- lisateurs. La première évolution a été introduite avec HSDPA – High Speed Downlink Packet Access – com- mercialisé sous le nom « 3G+ ». HSDPA repose sur la mise en place d’une voie des- cendante rapide, partagée entre les différents utilisateurs. HSDPA accélère la dynamique de l’allocation de ressour- ces, permettant de fournir ponctuellement des débits importants aux utilisateurs. Pour cela, quelques modifica- tions ont été apportées au niveau du réseau d’accès. En HSDPA, l’allocation de ressources est gérée en fonction des conditions radio. Pour pouvoir tenir comp- te de l’état instantané du canal radio, la gestion de la transmission et de l’allocation de ressources n’est alors plus gérée par le RNC mais par la station de base. Un nouveau mécanisme de retransmission de bas niveau a été introduit : l’hybrid ARQ. HSDPA introduit également - en plus de la modulation QPSK utilisée en UMTS - une modulation de type 16 QAM, qui permet égale- ment d’augmenter les débits. Les transmissions étant gérées localement au niveau des stations de base, il n’y a pas de soft handover en HSDPA. HSUPA – High Speed Downlink Packet Access – a été introduit un peu plus tard. Cette technologie offre un service similaire à HSDPA, pour la voie montante. HSDPA permet d’atteindre un débit maximum théo- rique de 14,4 Mbits/s. En pratique, avec les mobiles actuels, les débits maximum que l’on peut atteindre en France sont plutôt de l’ordre de 3,6 Mbit/s ou 7,2 Mbit/s. Avec HSUPA, le débit maximum en voie montante at- teint 5,8 Mbit/s en théorie, et 1,2 Mbit/s en pratique avec les mobiles actuels. La croissance des débits de données impose aux opérateurs d’augmenter les débits des liens de rac- cordement de leurs sites de Node B. Les liens E1 qui prévalaient pour le raccordement des BTS ne sont plus adaptés. D’autres types de liaisons doivent être utilisés : en particulier, le recours à des systèmes utilisant le trans- port Fast ou giga Ethernet sur des supports physiques divers devient maintenant de plus en plus fréquent. 5. Transitions vers la Téléphonie Mobile sur IP La normalisation GPRS a introduit un cœur de réseau dédié pour s’interconnecter à des réseaux basés sur le protocole IP. Si – à quelques adaptations près – l’architec- ture du réseau d’accès est commune aux deux services – voix et données – des cœurs de réseaux spécifiques permettent de raccorder les abonnés aux réseaux télé- phoniques et à Internet. Des évolutions ont cependant été définies pour préparer une migration des services voix sur un réseau IP, et s’affranchir à terme du domaine circuit. 5.1. Réseau cœur NGN-Release 4 Comme pour les réseaux fixes, une première évo- lution importante du cœur de réseau circuit (domaine CS) a consisté à mettre en place une architecture NGN – Next Generation Network – pour fournir le service téléphonique. Dans cette évolution, les fonctions de commande des MSC sont séparées des fonctions de transport. Les premières sont assurées par une nouvelle REE N°5/2011 ◗ 79 Réseaux Radiomobiles : Des systèmes analogiques au haut débit mobile entité, le MSC-Server, qui conserve les interfaces exis- tantes vers les entités de commande du réseau mobile (gestion des services et de la mobilité). La fonction de transport du MSC est assurée par une passerelle spé- cifique, la CS-MGW – Circuit Switched Media Gateway – qui reprend les interfaces existantes avec les BSC ou les Nodes B côté réseau d’accès. La CS-MGW peut s’in- terfacer avec différents types de cœur de réseau : • Un réseau circuit, ce qui permet d’introduire cette nou- velle architecture de façon progressive et également d’assurer l’interface avec les réseaux de commutation de circuits préexistants ; • Un réseau de paquet IP ; elle assure alors la mise en paquets de la voix après un éventuel transcodage. La CS-MGW est commandée par le MSC-Server via une interface de commande fondée sur le protocole MEGACO-H.248. L’opérateur peut alors utiliser le même réseau IP pour le transport des trafics de voix et de données. Cet- te architecture a été très largement mise en place par les opérateurs car elle a permis, d’une part, de réduire les coûts d’adaptation et de rénovation des cœurs de réseaux lors de l’introduction de l’UMTS, d’autre part, pour les appels mobiles-mobiles, d’éviter le transco- dage de la voix entre l’accès et le cœur de réseau, et donc de réduire les débits utiles à transporter dans le cœur de réseau en conservant le codage à débit réduit utilisé sur l’accès. 5.2. Le système IMS – IP Multimedia Subsystem1 Le système IMS – IP Multimedia Subsystem – est une architecture capable d’offrir des services de ses- sions multimédia en utilisant le protocole SIP. Défini par le 3GPP, IMS a été choisi par un certain nombre d’entités de normalisation (comme ETSI/TISPAN) pour commander l’établissement de sessions de voix sur IP sur différents réseaux d’accès fixes, comme l’ADSL ou le Wi-Fi. Ces initiatives ont conduit le 3GPP à faire évo- luer l’architecture IMS pour la rendre indépendante du réseau d’accès. Ainsi IMS devrait permettre, non seu- lement, de fournir des services de voix sur IP dans les réseaux fixes mais également, à terme, de se substituer à la commande du réseau de voix mobile, ouvrant ainsi la porte à la continuité de service en mode session en- tre les différents réseaux d’accès fixe ou mobile. Dans le cas de l’accès mobile 3G, l’architecture IMS se place derrière le GGSN de l’opérateur (qui est le point de sortie du service support offert par le réseau mobile). Elle est constituée d’équipements en charge 1 à noter que l’IMS a fait l’objet d’un dossier complet dans la revue REE n°5 de mai 2007 [Mars 07] Figure 4 : Architecture NGN-R4. 80 ◗ REE N°5/2011 la quatrième génération des systèmes mobiles de la commande des sessions SIP  : les CSCF – Call Session Control Function. Les données concernant les abonnés sont regroupées dans le HSS – Home Subs- criver Server – qui joue un rôle analogue au HLR. La commande de services est assurée par les AS – Appli- cation Servers. Le contrôle d’admission et de la qualité de service sont assurés par le PCRF – Policy and Char- ging Rules Function – qui s’appuie sur le GGSN pour cela. A terme, IMS devrait jouer un rôle central pour permettre l’établissement de sessions SIP, quel que soit le réseau d’accès utilisé. En particulier, IMS devrait être utilisée pour gérer les sessions de voix dans les réseaux LTE (VoLTE). 6. Conclusion Au terme de ce très rapide historique technique des systèmes cellulaires, il faut souligner l’extraordinaire ex- plosion qu’ils ont connu en moins de 20 ans : fin 2010, selon l’UIT, il y avait dans le monde près de 5,4 mil- liards d’abonnements à un service mobile. Ce chiffre est à comparer au nombre d’abonnements à la téléphonie fixe qui, à la même date, n’était « que » de 1,2 milliards après plus de 80 ans de développement ; et au nombre d’internautes qui vient tout juste de passer les 2 milliards fin 2010. Parmi les systèmes utilisés, les normes euro- péennes issues de la normalisation CEPT/ETSI/3GPP (GSM, GPRS, E-GPRS, UMTS, HSDPA/HSUPA) ont pris une part extrêmement importante puisque 89,74 % des abonnements mobiles les utilisent aujourd’hui. Si, fin 1993, il n’y avait que 1 million d’abonnements mobiles utilisant les standards GSM, on en compte 4,78 milliards à la fin 2010. Références [3GPP] http://www.3gpp.org/ [3GPP 23.002] 3GPP TS 23.002 V10.2.0, 3rd Generation Partner- ship Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Network architecture (Release 10), March 2011 [3GPP 23.060] 3GPP TS 23.060 V10.4.0, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects;GeneralPacketRadioService(GPRS);Servicedes- cription;Stage2(Release10),June2011. [ETSI] http://www.etsi.org/ Figure 5 : IMS dans les réseaux mobiles. REE N°5/2011 ◗ 81 Réseaux Radiomobiles : Des systèmes analogiques au haut débit mobile [Cha01] Fabrice Chauvet, Eric Jacquet-Lagreze, Laurent Pajou, Benoît Rottembourg, Planification des réseaux mo- biles : problématique, modèlisation, optimisation, 3ièmes RencontresFrancophonessurlesAspectsAlgorithmiques des Télécommunications (ALGOTEL’01), Saint-Jean-de- Luz (France), mai 2001, tutorial invité. [Lag00] Xavier Lagrange, Philippe Godlewski, Sami Tabbane, Réseaux GSM, Hermes Edition, Paris, 2000. [Lag05] Sous la direction de Xavier Lagrange, Principes et évolutions de l’UMTS, Hermes Editions, Paris, 2005 [Les06] Pierre Lescuyer, Réseaux 3G, Dunod, Paris, 2006. [San08] Javier Sanchez, Mamadou Thioune, UMTS, Hermes Edition, Paris, 2008. [Mar07] Jean Claude Martin, IP Multimedia Subsystem (IMS) : un outil de convergence fixe-mobile, Revue REE, n°5, Paris, Mai 2007. Encadré n°1 Déploiement d’un réseau mobile Déployer un réseau cellulaire implique de couvrir avec des cellules radio une majeure partie d’un territoire, en prenant en compte les problèmes de propagation propres à la topographie de chaque cellule. Les cellules ont des dimensions limitées dépendant du système cellulaire considéré, de la bande de fréquences utilisée, des puissances émises acceptables tant pour l’utilisateur que pour limiter la consommation du mobile. Chaque cellule se voit affecter des ressources radio en propre qui dépendent de la charge de trafic dans la cellule. Si les ressources radio allouées sont insuffisantes, tous les abonnés présents dans la cellule ne pourront accéder à leurs services : des appels seront rejetés et la qualité de service offerte dégradée. L’opérateur ne pouvant pas toujours accroitre le nombre de ressources disponibles dans une cellule, une des solutions consiste à utiliser des tailles de cellules plus petites (micro voire pico-cellules) dans les zones a forte densité d’abonnés (comme les zones urbaines). La densité d’abonnés a donc également un impact direct sur la planification cellulaire. Des obligations en termes de couverture sont souvent imposées aux opérateurs mobiles lorsque des fré- quences leur sont allouées. Ces contraintes sont, en France, définies par l’ARCEP – Autorité de Régulation des Communications Electroniques et des Postes — qui fixe également un calendrier de progression de la couver- ture. La population à couvrir n’étant pas uniformément répartie sur le territoire, couvrir les seules grandes villes permet de desservir rapidement une forte majorité de la population. Mais assurer une couverture nationale nécessite des investissements très importants pour desservir les zones les moins peuplées. A titre d’illustration, en décembre 2000, SFR desservait 98 % de la population, en couvrant 82 % du territoire. Dans le même temps, pour desservir 99 % de la population, France Telecom couvrait 89 % du territoire. Fin 2008, 97,8 % de la population était couverte par les 3 opérateurs mobiles soit 86 % du territoire et 98,8 % de la population était couverte par au moins un opérateur mobile soit 97,7 % du territoire (source ARCEP). Déployer un réseau mobile représente un investissement colossal. A titre indicatif, sur un territoire de la taille de la France, pour assurer une couverture radio, il faut installer plusieurs dizaines de milliers de BTS. En 2000, le réseau de chaque opérateur comportait de l’ordre de 6 000 stations de bases, permettant de desservir 18 000 cellules. Ils étaient contrôlés par environ 300 BSC, eux même reliés à une trentaine de MSC. Au coût des équipements, il faut ajouter les coûts de desserte – lignes appartenant à l’opérateur ou louées - mais aussi celui des licences radio – souvent attribuées au plus offrant dans le cadre d’appels à candidatures. Ainsi, les opérateurs ont chacun du débourser 619 millions d’euros pour obtenir une licence UMTS sur une durée de 15 ans. Enfin, les opérateurs doivent louer les sites sur lesquels sont installées leurs stations de base. 82 ◗ REE N°5/2011 la quatrième génération des systèmes mobiles Encadré n°2 Considérations sur les débits offerts L’augmentation des débits proposés aux abonnés a été l’une des principales motivations pour l’amélioration des interfaces radio des réseaux radio-mobiles. L’interface radio, de qualité très fluctuante, et partagée entre les utilisateurs constitue en effet le principal goulot d’étranglement des réseaux mobiles : c’est le principal obstacle à l’augmentation des débits. Chaque évolution de la norme a permis d’accroitre les débits. Pourtant, entre les débits théoriques annoncés et les débits constatés par les utilisateurs, la différence est parfois importante. Le tableau ci-dessous présente un comparatif entre le débit maximum théorique et ce qui est bien souvent mis en place sur le terrain. Technologie Débit Maximal Théorique Débit Crête Constaté GSM 9,6 kbits/s 9,6 kbits/s GPRS 21,4 kbits/s/slot 13,4 kbits/s/slot EDGE 59,2 kbits/s/slot 29,6 kbits/s/slot UMTS 1,920 Mbits/s 384 kbits/s HSDPA 14,4 Mbits/s (↓) 7,2 Mbits/s (↓) HSUPA 5,8 Mbits/s (↑) 1,2 Mbits/s (↑) Comment expliquer cette différence ? Tout d’abord, le débit théorique ne peut être atteint que dans des conditions radio extrêmement favorables, qui n’existent qu’en bien peu d’endroits. Ces débits théoriques né- cessitent par ailleurs des terminaux aux capacités importantes, parfois difficiles à miniaturiser. Par exemple, en EDGE, il est théoriquement possible d’atteindre un débit symétrique de 473 kbits/s. Il faut pour cela un terminal pouvant émettre et recevoir sur 8 slots en même temps, et embarquant 2 antennes. Ce débit n’est jamais at- teint car le terminal couterait cher à la fabrication, serait gourmand en énergie, et mobiliserait une trame TDMA complète pour lui seul – ce qu’aucun opérateur ne pourrait se permettre à grande échelle. Les débits affichés dans le tableau sont des débits crête. Or, les ressources utilisées sont partagées entre les différents utilisateurs. Ainsi, si plusieurs utilisateurs souhaitent transmettre en même temps, leur débit est divisé en proportion. Peu importe le débit crête, le débit moyen peut être beaucoup plus faible si le nombre d’utilisateurs est important. Enfin, le débit affiché est un débit au niveau de l’interface radio (débit niveau 2), dans des conditions radios favorables qui ne nécessitent pas trop de retransmissions. Pour obtenir le débit réel utilisateur, il faut soustraire les informations d’encapsulations de niveau réseau (IP) et transport (TCP ou UDP). Dans l’UMTS, des mécanis- mes de compression d’en-tête permettent de réduire cette déperdition. Afin d’assurer une qualité de service minimale, l’opérateur peut mettre en place une politique de contrôle d’ad- mission pour interdire de nouveaux utilisateurs si la cellule est déjà saturée. L’opérateur peut également limiter les débits, afin d’assurer le partage des capacités de son réseau entre les différents utilisateurs, et afin de limiter et gérer la croissance du trafic. Ces débits peuvent enfin être bridés en fonction des pratiques commerciales des opérateurs. Nicolas Dailly. Ancien élève de l'ESIEE-Amiens (2003) - Ecole Supérieure d'Ingénieurs en Electronique et Electro- technique – il est docteur de l'Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications – Telecom-Paristech (2007). Il a réalisé une thèse sur les réseaux radio-mobiles et a notam- ment travaillé à l'étude des solutions de handover intra et inter-systèmes, appliquée aux réseaux d'accès E-GPRS. Il a rejoint l'ESIEE-Amiens (2007), où il enseigne au sein de la majeure Réseaux Informatiques et Télécommunications, dont il est responsable. Il est membre du Club Telecom de la SEE (2010). Patrice Collet est ancien élève de l’École Polytechnique et ingénieur général des télécommunications. Sa carrière l’a conduit de la recherche et développement au CNET qui était alors le centre de recherches de la Direction générale des Télécommunications à la Direction générale de France Telecom où il a eu la responsabilité de l’architecture du ré- seau fixe et son évolution. les auteurs