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MEMOIRE DE FIN DE CYCLE Pour l’obtention du diplôme de :

MASTER EN RESEAUX ET TELECOMMUNICATIONS

Sujet : Migration des réseaux mobiles 2G vers la 4G

REPUBLIQUE DU SENEGAL

Encadré par : Mr. Hervin AKPO

Sup De Co Technologie Membre de sup de co dakar

Présenté par : Paulus LOKO - ROKA

Un peuple Un but Une foi

2 PLAN PREMIERE PARTIE : MIGRATION DU 2G VERS LA 3G

GSM, GPRS et EDGE

UMTS

COMPARAISON ENTRE UMTS ET GSM

Deuxième partie: MIGRATION DE LA 3G VERS LA 4G

GENERALITE SUR LA 4G

LTE : notions et architectures

COMPARAISON UMTS ET LTE

CONCLUSION

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PREMIERE PARTIE : Etude de l’existant (GSM)

les modifications apportées au fil des années d’une génération à l’autre

4 Architecture générique d’un réseau cellulaire

Radio Access Network (RAN) : Point d’accès au réseau Gestion de l’interface air

Core Network (CN) : Réseau fixe assurant l’interconnexion avec les autres réseaux

RAN CN Réseaux cellulairesd’autres opérateurs

Réseaux téléphoniquesCommutés

Réseaux de données

5Architecture générale d’un réseau GSM

PLMN: Public Land Mobile Network

PSTN: Public Switched Telephone Network PLMN

BSS: Base Station Subsystem

BTS: Base Transceiver StationBSC: Base Station Controller

NSS: Network SubSystem

MSC: Mobile services Switched CenterVLR: Visitor Location RegisterHLR: Home Location RegisterAUC: Authentification CenterEIR: Equipment Identity RegisterMS:Mobile Station

OMC: Operation and maintenance Center

Radio Access Network Core Network

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Evolution de la 2G

GPRS et EDGE

Introduction au GPRS

GPRS: General Packet Radio Service Basé sur GSM Données en mode non connecté, par

paquets Objectif: accès mobile aux réseaux IP

Avantages du GPRS

Débit théorique 160 kbit/s En pratique plutôt 30 kbit/s Facturation à la donnée Connexion permanente possible

Architecture matérielle

Source: Radcom Inc.

Modes de codage

CS-1 9.05 kbit/s forte redondance CS-2 13.4 kbit/s CS-3 15.6 kbit/s CS-4 21.4 kbit/s faible redondance

11 Protocoles GPRS

• le protocole LLC : entre le terminal et le SGSN.

• le protocole GTP : entre le SGSN et le GGSN, GTP s’appuyant soit sur TCP (transport avec acquittement), soit sur UDP (transport sans acquittement).

12 L’EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution)

 L'évolution directe depuis un réseau GSM vers un réseau UMTS (dit 3e génération ou 3G) étant coûteuse, les opérateurs ont cherché des alternatives et l’une d’entre elles est l’EDGE, qui est présenté comme la génération 2,75G.

Il est connu aussi sous les noms Enhanced GPRS (EGPRS).

la modulation de phase à huit états, ou 8PSK (Eight-level Phase Shift Keying) correspond aux nouvelles modulations introduites par EDGE et est légèrement moins contraignant que celui d’origine du GSM. Néanmoins, pour respecter ce gabarit, EDGE a dû affiner la 8PSK d’origine.

Débit théorique de: 384 Kbps

13 L’apport de L’EDGE

Alors qu’en GPRS, il existe quatre types de codage différents, E-GPRS défini neuf schémas de modulation et de codage :MCS (Modulation and Codage Scheme)

Enhanced Data GSM Environment

Infrastructure will not need adding to from the GPRS

environment

(www.ericsson.com/products/white_papers_pdf/edge_wp_technical.pdf, 2003)

PROTOCOLE EDGE

Base station System GRPS Protocol (BSSGP)

16 En route vers la 3G: UMTS

UMTS : Universal Mobile Telecommunications System. Certains préfèrent encore l'appeler W-CDMA qui est la technologie d'accès radio permettant à plusieurs utilisateurs de communiquer en même temps.

17 Apport de l’UMTS

la mise en place de nouvelles antennes, nommée Node (Nœud) B et d'un contrôleur de nœud nommé RNC (Radio Network Controller). Le Node B est donc l'équivalent de la BTS utilisée en GSM, mais sur une bande différente, et utilisant une technologie de modulation (HPSK) et une technologie d'accès (W-CDMA) différente.

Le Node B et le RNC forment l'accès radio UMTS dénommé UTRAN (UMTS TERRESTRIAL Radio Acces Network). Ils se rajoutent donc au GERAN (GSM-EDGE RAN). L'UTRAN et le GERAN forment donc maintenant le BSS (Base Station Subsystem).

18 L’UTRAN:

19 Seule la partie radio a été modifiée, la partie réseau (NSS) reste identique, l'interface UTRAN s'appuie sur les éléments réseaux déjà existant. La cohabitation entre les deux réseaux est ainsi la suivante

20 Comparaison des architectures Au niveau usager: La carte USIM remplace la carte SIM

Au niveau accès: Le sous système Base Station Sub-system laisse place à l’UTRAN , on a de ce fait la BTS qui se fait remplacer par les NodeB et l’RNC remplace la BSC

Au niveau cœur: l’UMTS va introduire les termes ‘domaine’ et il y aura une distinction entre la commutation par circuit et par paquets Les éléments du réseau cœur sont donc répartis en trois groupes, le premier, celui des éléments du CS domain, comprend le MSC, le GMSC et le VLR. Le deuxième groupe, celui des éléments du PS domain, comprend le SGSN et le GGSN. Le dernier groupe comprend les éléments du réseau communs au PS domain et au CS domain : le HLR, l’EIR et l’AuC

21 Au niveau interface :

l'interface Um (entre le MS et la BTS) va devenir Interface Uu qui relie l’MS au NodeB

 l'interface Abis (entre la BTS et le BSC)va devenir Interface Iub qui relie le NodeB à L’RNC.

l'interface A (entre le BSC et le MSC) va devenir Interface Iu qui relie l’UTRAN au réseau cœur. Ici on note qu’il sera scindé en deux interfaces: l’IuCs entre le RNC et le domaine circuit du CN et l’Iu-PS entre le RNC et le domaine paquet du CN.

Au niveau protocole:

On va s’intéresser au protocole RANAP qui peut être considéré comme une évolution du protocole de signalisation BSSAP (Base Station Subsystem Application Part) entre le BSC et le MSC.

22RANAP assure les fonctions suivantes :

• Gestion des supports d'accès radio (RAB, Radio Access Bearer) : Cette fonction permet d'établir, de modifier et de libérer des RABs. Un RAB est une ressource qui permet de transporter les données utilisateur à travers le réseau d'accès.

• Paging : cette fonctionnalité permet de rechercher un UE en mode veille dans une zone de localisation lors d'un appel entrant.

• Transfert de signalisation entre l'UE et le réseau : L'UE peut échanger de façon transparente des messages de signalisation avec le réseau cœur à travers les protocoles de signalisation d'accès (MM, CM, GMM, SM).

Quelques protocoles d’application du plan contrôle sur les interfaces Iub et Iur

RNSAP (Radio Network Subsystem Application Part)

NBAP (Node B Application Part)

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Deuxième partie: MIGRATION DE LA 3G VERS LA 4G

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Release 99 (2000): UMTS/WCDMA Release 5 (2002) : HSDPA Release 6 (2005) : HSUPA, MBMS(Multimedia

Broadcast/Multicast Services) Release 7 (2007) : DL MIMO, IMS (IP Multimedia

Subsystem), optimized real-time services (VoIP, gaming, push-to-talk).

Release 8(2009?) :LTE (Long Term Evolution)

LES RELEASES

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26 PRESENTATION DE LA 4G

Définition: Elle est le successeur de la 2G et de la 3G. Elle permet le « très haut débit mobile », Les débits supposés sont entre 20 et 100 Mb/s à longue portée et en situation de mobilité, et 1 Gb/s à courte portée vers des stations fixesUne des particularités de la 4G est d'avoir un « cœur de réseau » basé sur IP et de ne plus offrir de mode commuté (établissement d'un circuit pour transmettre un appel "voix"), ce qui signifie que les communications téléphoniques utiliseront la voix sur IP (en mode paquet). Les trois technologies supposées comme candidates potentielles pour une validation 4G sont :Long Term Evolution (LTE) : poussée par les Européens, avec Ericsson en tête suivi de Nokia et Siemens... Wimax version 802.16m : soutenu par Intel sachant que le WIMAX a été ajouté à la liste des standards 3G par l’ITU le 19/10/2007. Ultra Mobile Broadband (UMB) : soutenu par le fondeur américain Qualcomm (fabriquant des puces).

27 Les Réseaux WimaxLe Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) est une solution pour des réseaux MAN sans fil. En utilisant un accès Wimax, on peut atteindre théoriquement un débit jusqu’à 70 Mb/s avec une distance de 50 km. Le Wimax se sert de la technologie micro-onde avec plusieurs bandes de fréquences. Le Wimax prend en charge les transferts de type ATM et IP.

Nous avons :

Le Wimax fixe (IEEE 802.16)

Le Wimax mobile (Standard IEEE 802.16e) Qui est la version qui apporte la mobilité au Wimax fixe tout en restant interopérable avec celui-ci.

Le EEE 802.16m : Qui est une amélioration du Wimax (802.16-2004) et du Wimax mobile (802.16e) assurant la compatibilité avec les deux systèmes. Les débits théoriques proposés par cette version atteignent 100 Mb/s en situation de mobilité, et à 1 Gb/s quand la station abonnée est fixe.

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L’UMB

L’UMB (Ultra Mobile Broadband) ou plus exactement «CDMA2000 1xEV-DO Revision C» est le nom commercial de la prochaine version de la famille CDMA.

Avec la première révision A avec le CDMA, le débit offert était de 450 à 800 Kb/s vers des points fixes uniquement.

Ensuite, avec la révision B il y avait une amélioration des débits jusqu’à 46,5 Mb/s.

La dernière révision C proposée ajoute la gestion de la mobilité de l’utilisateur en grande vitesse et offre des débits théoriques à l’ordre de 288 Mb/s en voie descendante, et 75 Mb/s en voie montante. Elle propose aussi un environnement réseau qui se repose sur le principe de tout-IP et dispose de passerelles permettant l’interconnexion avec les réseaux de la famille 3GPP.

29 La LTE (Long Terme Evolution) Au cours des années 2000, il s’avérait que le système UMTS (Universal

Mobile Telecommunications System), même dans sa version haut-débit (High Speed Data Packet Access), resterait limité en termes de débit, de latence et de capacité, du fait de sa transmission basée sur le CDMA et de la complexité de son architecture

En 2004, le 3GPP (3rd Generation Partnership Project) a lancé un groupe de travail pour des évolutions à long terme, ou LTE pour Long Term Evolution, de l'interface radio des systèmes de 3e génération. Le travail de ce groupe a conduit à la spécification d'une interface radio totalement nouvelle et a déclenché un travail analogue de refonte complète de l'architecture des réseaux cœurs. L'ensemble de ce nouveau système est couramment désigné par LTE bien que le terme LTE ne s'applique qu'à l'interface radio.

Le 3GPP produit des documents de spécifications par vagues successives appelées Release. L'interface radio LTE est définie dans un ensemble de recommandations publiées lors de la Release 8 (les releases précédentes n'incluent que les systèmes GSM et UMTS).

30 LE DEBIT

L’interface radio de la LTE doit pouvoir supporter un débit maximum instantané de 100 Mbit/s en considérant

une allocation de bande de fréquence de 20 MHz pour le sens descendant et un débit maximum instantané de 50 Mbit/s en considérant aussi une allocation de bande de fréquence de 20 MHz pour le sens montant

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principaux changements obtenu avec LTE

– De nouvelles technologies pour les transmissions radio

» OFDMA en Downlink

» SC-FDMA en Uplink

» MIMO

– Une nouvelle architecture du réseau

» Une station de base enrichie en fonctionnalités (eNodeB)

» L’implémentation d’un nouveau cœur de réseau (Evolved Packet

Core)

– Une nouvelle architecture protocolaire radio

» Réduction de la complexité

32 Architecture du LTE

33 Les 2 parties de l’EPS

Nous avons l’EPC (Evolved Packet Core) et l’E-UTRAN (Evolved UTRAN)

l’E-UTRAN (Evolved UTRAN) : l’interface d’accès réseau

Contient les eNB reliés entre elles et reliés au réseau cœur les fonctions supportées par RNC sont reporté au eNB

EPC OU SAE : partie cœur

34 le cœur du réseau

SAE (System Architecture Evolution): le cœur du réseau composé de différentes parties

Mobility Management Entity (MME)

Serving Gateway (SGW)

Packet Data Network Gateway (PDN GW)

Home Subscriber Server (HSS)

Policy and Charging Rules Function (PCRF)

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Les principales couches du LTE

PHY (Physical Layer).

MAC (Medium Access Control) en charge de l’ordonnancement des paquets et la répétition rapide

RLC (Radio Link Control) est responsable de la transmission fiable de données.

PDCP (Packet Data Convergence Protocol) qui fournit le protocole de compression d’entête et implémente le cryptage de données.

NAS (Non-Access Stratum) est la couche réseau communiquant entre l'utilisateur et le MME, gérant l'établissement des appels et la gestion de la mobilité.

 RRC (Radio Resource Control) : Comme son nom l'indique, le RRC est chargé de contrôler les ressources afin de garantir la Qualité de Service (QoS).

L’interface radio E-UTRAN est décrite selon le modèle OSI. Avec une couche physique (Layer1)qui implémente la partie PHY et une couche liaison de données qui supporte le RLC et MAC

36 LTE FDD & LTE TDD

Afin de pouvoir être en mesure de transmettre dans les deux sens, un équipement

d'utilisateur ou d'une station de base doit disposer d'un régime duplex.

Il existe deux formes de duplex qui sont couramment utilisés :

FDD Division de Fréquence Duplex

TDD Division de Temps Duplex

LTE FDD (Frequency Division Duplex) : division duplex de fréquence

LTE TDD (Time Division Duplex) : répartition temporelle, elle utilise une fréquence

mais assigne différentes tranches de temps pour la transmission et la réception

LTE s’adapte aux deux spectres FDD et TDD

37 COMPARAISON UMTS ET LTE

Au niveau usager: LTE emploie des cartes USIM avec un modèle d'authentification très bien conçu, hérité de la 3G. Mais pour assurer de nouveaux services, toute une hiérarchie de clefs est créée pour assurer une ségrégation entre les différents services, notamment lors du roaming (itinérance : utilisation du réseau d'accès d'un autre opérateur).Ainsi la communication est sécurisée de bout en bout, du mobile au cœur de réseau. Idem pour la signalisation qui bénéficie d'une clefs de session dédiée.

Au niveau accès: A la différence de l’UTRAN 3G où sont présentes les entités NodeB et RNC, l’architecture E-UTRAN ne présente que des eNodeB. Les fonctions supportées par le RNC ont été réparties entre l’eNodeB et les entités du réseau cœur MME/Serving GW. L’eNodeB dispose d’une interface S1 avec le réseau cœur.

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Au niveau cœur: LTE, on passe au tout IP et le réseau cœur SAE est caractérisé par EPC qui est un réseau cœur paquet tout IP.

Alors que dans la 2G et 3G on distinguait les domaines de commutation de circuit (CS, Circuit Switched) et de commutation de paquet (PS, Packet Switched

Le nouveau réseau ne possède qu’un domaine paquet appelé EPC. Tous les services devront être offerts sur IP y compris ceux qui étaient auparavant offerts par le domaine circuit tels que la voix, la visiophonie, le SMS, tous les services de téléphonie, etc.

On retrouve dans EPC : le MME, Le Serving GW, Le PDN Gateway et la PCRF.

Avec la technologie LTE, le HLR est réutilisé et renommé HSS. Le HSS est donc un HLR évolué qui contient l’information de souscription pour les réseaux GSM, GPRS, 3G, LTE

39 CONCLUSIONNous retiendrons que la Lte doit permettre d’optimiser l’utilisation du spectre, de réduire les coûts de fonctionnement pour les opérateurs et d’offrir des temps de latence réduits ainsi que du très haut débit pour les utilisateurs

Cependant, tous les obstacles techniques ne sont pas levés et parmi ceux-ci l’allocation des ressources spectrales.

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Merci Pour Votre Attention

41 Vos Questions et Réactions…