Chap9 Umts

8/18/2019 Chap9 Umts

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Introduction à l’UMTS


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Motivations pour un nouveau système

Convergence entre applications informatiques,télécommunications et audio.Services actuels : voix essentiellementÉtendus aux données et combinaison de

voix/données. Nouvelles bandes de fréquences (WARC 92).Migration des acteurs (opérateurs et fournisseurs)

vers des applications et des services plus variés et

plus développés.Avances technologiques (réseaux, systèmes, DSP,…). Définition et développement de nouveaux systèmes.


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Acteurs de la normalisation 3G

• Point de départ : World Radio Conference (1992) qui a réservéles bandes 1885-2025 MHz et 2110-2200 MHz pour l’IMT-2000.• UIT-R (Study Group 8) : travaux sur le FPLMTS ( Future Public

Land Mobile Telecommunications System), devenu IMT-2000( International Mobile Telecommunication).

• Activités régionales : – European Telecommunication Standard Institute (ETSI) en Europe, – Research Institute of Telecommunications Transmission (RITT) en Chine, – Association of Radio Industry and Business (ARIB) et Telecommunication

Technology Committee (TTC) au Japon,

– Telecommunications Technologies Association (TTA) en Corée, – Telecommunication Industry Association (TIA) et TIPI aux USA, – 3GPP : regroupe des membres d’Europe (ETSI), Amérique du Nord (TIPI)

et Asie (ARIB et TTA), pour développer l’UMTS.


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NormalisationL’UIT a défini le concept IMT-2000 pour fédérer les différentes

propositions et parvenir à la définition d’une norme internationale qui : • supporte les applications multimédias,

• supporte les hauts débits (> 2 Mbps),

• permet l’itinérance étendue.

La première échéance était relative au maillon les plus sensible qui est lesegment « radio », appelé RTT ( Radio Transmission Technology). En Juin1998, la « technologie » FDD-CDMA a été retenue.

Deux familles de technologies ont émergé conduisant à la création de deuxregroupements de constructeurs et d’opérateurs de réseaux :

• 3GPP (3rd Generation Partnership Project ) à l’origine de l’UMTS, il ahérité d’un certain nombre de concepts du GSM.

• 3GPP2 : pour garantir une certaine pérennité des systèmes IS-95.


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Principales propositions RTT soumises à l’UIT Description Type Origine

UWC-136 Universal Wireless Communications Terrestre TIACdma2000 CDMA large bande (basé sur IS-95) Terrestre TIA

SAT-CDMA

DECT

Réseau satellite orbite basse Satellite TTA

TD-SCDMA Time division synchronous CDMA Terrestre CATT

ICO RTT Réseau satellite orbite moyenne Satellite ICO

WCDMA CDMA large bande Terrestre ARIB

UTRA Universal Terrestrial Radio Access Terrestre ETSI

Horizons Horizons Satellite System Satellite Immarsat

CDMA I Multiband Synchronous DS-CDMA Terrestre TTA

Digital Enhanced Cordless Telecomm. Terrestre ETSI


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Planning de développement

1998-1999 Définition de l’interface radio

2000 Premières démonstrations de réseaux 3G

Mai 2000 Validation des recommandations IMT-2000 par l’ITU-R

2000-2001 Attribution des licences 3G en Europe

Mi-2001 Premiers réseaux 3G dans les pays tels que le Japon, sur

la base des premières spécifications 3G

Début 2002 Terminaux 3G de base disponibles commercialement, basés sur les spécifications 2000

2002 Services 3G lancés par les opérateurs

Fin 2004 3G disponible commercialement


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Normes 3G approuvées

ITU a approuvé 4 normes (standards) 3G :• EDGE ( Enhanced Data rates for Global Evolution)

– Norme TDMA – Unification de NA-TDMA et GSM – Conforme uniquement à certaines contraintes 3G (2.75G)

• UMTS (Universal Mobile Telephone Service) ou WCDMA (WidebandCDMA) – Norme dominante en dehors des USA – Vu comme la migration vers le 3G pour les systèmes GSM/TDMA

• CDMA 2000 3x-RTT – Appelé également (3X et cdma three) : en concurrence directement avec le W-

CDMA jusqu’à 2Mbps – Vu comme la migration vers le 3G pour les systèmes IS-95 qui dominent auxUSA

• TD-SCDMA : Norme développée et utilisée uniquement en Chine


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UMTS

• UMTS (Universal Mobile TelecommunicationsSystem) est la version européenne du 3G : – Proposé par le 3GPP (3rd generation pertnership project )

– Inclut 2 parties : UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network ) et le cœur de réseau hérité du GSM

• UMTS est un système large bande, basé sur la

transmission circuit et paquet : transmission de textes,voix numérisée, vidéo et multimédia avec des débits

jusqu’à 2 Mb/s.


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Caractéristiques essentielles de l’UMTS (1)

Intégration de services mobiles existants (cellulaire,sans fil, paging, PMR, …)

Choix entre terminaux et fournisseurs de services.

Terminaux flexibles supportant plusieurs interfacesradio ( software radio).

Roaming global pour les terminaux et les services.


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Anyone, Anywhere, Anytime

regrouper les fonctionnalités et avantages des systèmes existants

Qualité de parole élevée et couverture étendue ( systèmes

cellulaires) Appels de groupe, diffusion de messages, accès rapide etfaibles coûts ( systèmes de radiocommunications privés)

Terminaux de petite taille et couverture dense ( systèmes de RMU )

Communications de débit élevé et d’excellente qualité( systèmes sans cordon) Couverture mondiale ( systèmes satellites) Télémétrie et accès à des sites distants (réseaux de

transmission de données)


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Qualité de voix similaire à celle du fixe.

Services satellites pour les zones non

couvertes par les BTS terrestres.

Sécurité et techniques anti-fraude contre

l’accès aux données par des personnes ouentités non autorisées.


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Services mobiles multimédia haut débit : 2 Mb/s pour l’indoor , mobilité réduite (10 km/h), 384 kb/s pour l’outdoor urbain (120 km/h), 144 kb/s pour l’outdoor rural, mobilité importante (500 km/h)

Qualité de service variable (BER entre 10-3 et 10-6, délais entre

30 et 300 ms).Transmission asymétrique et à débit variable.

Services multiples par usager :

Parole : 8 kb/s, Données : 2,4 à 6x64 = 384 kb/s, Vidéo : 384 kb/s, Multimédia.


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Objectifs et caractéristiques (1)

Débits élevés.

Intégration de services.

Accès paquet.

Techniques d’amélioration de capacité :suppression d’interférence, antennes adaptatives, …

Handover inter-systèmes (GSM – 3G) et inter-fréquences (réseaux hiérarchiques).


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Principal défi : fusionner la couverture radio du téléphonemobile à l’Internet et autres applications multimédia.

Les systèmes 3G doivent fournir :

Gestion multimédia flexible,Accès à Internet,

Services support flexibles,

Accès paquet à coût intéressant pour des services « Best Effort ».Majorité des applications multimédia à travers Internet :

Accès 3G = Internet Mobile


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Roamingglobal

Accessiblen’importe quand

n’importe où

Les communications personnelles mobiles

feront partie de la « vie »

Voix hautequalité

Applicationsutiles

Données hautdébit en mode

paquet et circuit

Services personnalisés

Tout le monde peut l’utiliser

Tout le monde

peut se permettre

Utile &pratique

Marché demasse


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Les classes de services de l’UMTS (1)

• La classe A, ou conversational : tous les services bidirectionnels impliquant deux interlocuteurs, voire ungroupe de personnes

– Exemples : la téléphonie, la visiophonie ou les jeux interactifs.

Phonie

visiophonie


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• La classe B, ou streaming : tous les services impliquantun utilisateur et un serveur de données – Applications asymétriques, les données étant majoritairement

transférées du réseau au mobile

– Exemples : les services de vidéo à la demande, la diffusionradiophonique ou les applications de transfert d’images.

Phonie

Images, vidéo serveur


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• La classe C, ou interactive : tous les services danslesquels un usager entretient un dialogue interactifavec un serveur d’applications ou de données – Pas de performances temps réel particulières

– Exemples : la navigation sur Internet, le transfert de fichiers par FTP, le transfert de messages électroniques ou toutesles applications de commerce électronique.

serveur Commande

Réponse


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• La classe D, ou background : les informationstransmises sont de priorités inférieures à celles de laclasse C – Caractéristiques assez proches de celles de la classe C

– Exemples : le transfert de fax, la notification de messageélectronique ou de messagerie de type SMS

serveur Données

Données


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Exemples de services UMTS

-BD en ligne-Shopping interactif-Diffusion suivantla localisation

-Classe virtuelle-Librairie en ligne-Labo de langue enligne

-Bureau mobile-Business TV

-Téléphonie audio-Vidéo téléphonie-Vidéo conférence

-Audio à la demande-Jeux à la demande-Visite virtuelle

-Transferts de fonds-Banque en ligne-Banque virtuelle

-Services d’urgence -Aide aux secours

-Télémédecine-Télésurveillance

Information Éducation Business

Communications Loisirs Services financiers

Services communautaires Services spéciaux


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Architecture de base d’un réseauUMTS

MS

USIM

Autres réseauxradio mobiles

RTC/RNIS

Réseaux de données/Internet

CN (Cœur de réseau) Fonctions : transport, gestion de mobilitéBases de données usager, contrôle de service, etc.

CN

RAN ( Radio Access Network ) : Fonctions radio

(gestion de la ressource radio, etc.)

RAN

MS ( Mobile Station)-Interface radio (transmission radio)-Contrôle de service et interface usager)

UMTS Subscriber Identity Module

USIM


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Éléments de réseau d’un PLMNUMTS

USIM

ME

Node B

Node B

Node B

Node B

RNC

RNC

MSC/VLR

SGSN

HLR

GMSC

GGSN

UuIu

Cu IurIub

UE

UTRANCN

PLMN,PSTN,ISDN

Internet

Réseaux

externes


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Fonctions des entités

• UTRAN (réseau d’accès radio) – Node B : convertir le flux de données entre les interfaces Iub et Uu, participer à la gestion des ressources radio

– RNC : gérer les ressources radio de la zone dont il a le contrôle, c’est le point d’accès pour tous les services fournis par l’UTRAN au réseau coeur

• CN (réseau cœur) – HLR : base de données de référence qui gère l’ensemble des abonnés etleurs profils

Circuit Switched (CS) domain• MSC/VLR : commutation des connexions circuit et le VLR contient une copie

du profil de l’abonné et certaines infos de localisation précises • GMSC : connecté directement aux réseaux externes en mode circuit

Packet Switched (PS) domain• SGSN : domaine paquet• GGSN : traitement des connexions en mode paquet


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Terminaux UMTS

• Les téléphones mobiles UMTS combinent : avantagesdes communications mobiles et fonctions multimédia

• UMTS compatible avec d’autres équipements ou

intègre leurs fonctions : PDA (assistant personnel),Microsoft CE, station mobile JAVA, agendaélectronique, PC fixe/portable…

• Mobiles UMTS multi-mode pour profiter de lacouverture d’autres systèmes existants : GSM, DECT,D-AMPS…


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États d’un mobile dans le domaine CS

• Hors tension : mobile dans l’état DETACHED Après attachement : contexte de mobilité créé et mobilerepéré, à la LAC près par le 3G-MSC et au 3G-MSC près

par le HLR

• État IDLE : mobile prêt à initier ou à recevoir unecommunication. Gestion de la mobilité à la charge dumobile (sélection/resélection de cellules)

• État CONNECTED : mobile en communication,avec un circuit établi dans le réseau cœur et le RAN.Gestion de la mobilité à la charge du réseau selon lesmesures réalisées par le mobile et transmises au RNC


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États d’un mobile dans le domaine PS

• Hors tension : mobile dans l’état PMM-DETACHEDaprès attachement : contexte de mobilité créé etmobile repéré, à la RAC près par le 3G-SGSN et au3G-SGSN près par le HLR

• État PMM-IDLE : mobile prêt à initier ou à recevoirune communication. Gestion de la mobilité à lacharge du mobile (sélection/resélection de cellules)

• État PMM-CONNECTED : mobile encommunication. Gestion de la mobilité à la charge duS-RNC (Serving RNC )


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Pourquoi la composante satellitaire ?

Les segments de marché potentiels « verticaux » sont :

• Mobiles embarqués : voiture haute gamme avec ordinateur de bord(comm., navigation…) et interface PC, souvent hors couverture,

• Véhicules commerciaux : légers et lours souvent en roaming horscouverture,

• Industrie primaire : pétrole, gaz et mineraie…impliquant des sites reculés, • Maritime : pêche, commerce, plaisance ayant besoin de service multimédia,• Aéronautique : service multimédia aux passagers et à l’équipage, • Média : journalistes souvent en déplacement,

• Santé : administration des premiers soins dans une ambulance(télémédecine),• Support large bande de secours : lorsque le réseau fixe n’est pas disponible

(pour multimédia).


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3- Interface Radio


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Interface radio et fréquences


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Caractéristiques de l’UTRAN

Mode FDD TDD

Accès multiple DS-CDMA TD-SCDMA

Débit chip 3,84 Mchip/s 3,84 ou 1,28 Mchip/s

Espacement entre

porteusesDurée d’une trame radio

Structure d’une trame

modulationFacteurs d’étalement 4 à 512 1 à 16

Codage canal

4,4 à 5 MHz avec un pas de 200 kHz

10 ms

15 IT/ trame

QPSK

Pas de codage, codes convolutifs (1/2 ou 1/3) ou

Turbo-codes (1/3)


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Le réseau d’accès UTRAN

RNC RNC

NodeB NodeB NodeB NodeB

Iub

Iur

Iu

Réseau coeur

CSdomain

PSdomain

Réseau d’accès


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Caractéristiques du W-CDMA

Avantages du CDMA-DS / FDMA et TDMA Motif cellulaire, Soft et Softer Handover (le mobile se trouve dans une zone de

couverture commune à deux secteurs adjacents d’une même station de base),

Multipath fading exploité avec le récepteur de Rake.W-CDMA : Mode synchrone entre cellules, Facteur d’étalement orthogonal sur les liens descendants,

Réception Rake cohérente sur les deux liens, Contrôle de puissance rapide sur les deux liens, Transmission à débit variable.


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Récepteur de Rake

X

X

démodulateur C(t – t2)

C(t – t1)

r e c o m b i n a

i s o n

-Combiner les différentes contributions reçues et bénéficier du gain liéà la diversité de transmission.

-Dans chaque branche, le signal reçu est corrélé avec une réplique du

code utilisé par l’émetteur, décalé en fonction du temps de propagation

de chacun des trajets.


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Étalement

Mise en voie / Canalisation / Channelization2 niveaux de codage : Codes OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor ) : séquences

orthogonales et ayant des longueurs différentes varier le gain detraitement en fonction du débit usager

Codes de brouillage (Scrambling codes) étalement spectral- Canal descendant : codes de Gold 218 – 1- Canal montant : codes de Kasami 218 – 1 (+ codes de Gold 241 – 1)Remarque :- Dans le sens descendant : chaque cellule utilise un code de brouillage Cs

qui lui est propre indépendance entre canaux de cellules différentes.- Dans le sens montant : à chaque mobile est alloué un code de brouillage Cs

particulier.


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Soft handover

SRNC

NodeB 1

DRNC

NodeB 2

Iu

Iur

Iub

Lien 2Lien 1 Cs1 Cs Cs Cs2

Cs : code de brouillageCs1 & Cs2 : codes de brouillage différents

SRNC : Serving RNCDRNC : Drift RNC


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Rôle du RNC

RNC RNC

Node B

Iur

Iub

Connexion RRC

Serving RNC Drift / Controlling RNC

-Lorsqu’un mobile est en communication, une connexion RRC est établie entre le mobile et un RNC de l’UTRAN (Serving RNC)-Lorsqu’un mobile se déplace en cours de communication, il peut se trouver dans une cellule faisant partie d’un Node B ne dépendant plus de son SRNC On appelle Controlling ou Drift RNC le RNC en charge de ces cellules distantes.


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Contrôle de puissance

• Problème sur la voie montante : effet proche-lointain (near fareffect ).

• Sur la voie descendante : limiter les interférences générées surles cellules voisines

• Contrôle de puissance lent sur le lien montant : lutte contre leseffets des évanouissements à grande échelle ( shadow fading ).

• Contrôle de puissance rapide sur les deux liens : lutte contre

les évanouissements rapides ( Rayleigh fading ).• Dynamique de variation de la puissance de transmission de 80

dB sur le lien montant et de 30 dB sur le lien descendant .


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Procédures de sécurité

• 3 procédures de sécurité : l’authentification, le chiffrement et l’intégrité

• K clé associée à l’IMSI :

F2(K, RAND) = XRES ou RES

F4(K, RAND) = IK ( Integrity Key), F3(K, RAND) = CK (Ciphering Key)

• HLR fournit au MSC/VLR le quintuplés (RAND, XRES, IK, CK, AUTN)où AUTN (Authentication Token) est généré par les algorithmes F1 et F5à partir de K et RAND.

• Intégrité : s’applique à la signalisation MS-réseau. Protection de

l’ensemble des messages de signalisation RRC échangés entre MS et leSRNC, et le CN (concerne les couches MM, CC, GMM et SM), exceptésles messages d’établissement de connexion ou de diffusion des infossystème.


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La procédure d’authentification

MAP Send Authentication Info (IMSI)

MAP Authentication Info Ack (RAND/XRES/CK/IK/AUTN)

MM Authentication Request (RAND/AUTN)

MM Authentication Response (RES)

AUTNRES

K/RANDK/RAND

F1,F5F2

K/RAND

K/RAND

F1,F5

F2

AUTN

XRES1

2

Mobile MSC/VLR HLR/AuC


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Génération des clés de chiffrement et d’intégrité

USIM AuC

F3 F4

RANDK

CK IK

F3 F4

RANDK

CK IK

MobileRéseau Coeur


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H. KHEDHER 42

4- Réseau fixe (NSS) et

architecture UMTS

Ré é d’ è


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H. KHEDHER 43

Réseau cœur et réseau d’accès

• UMTS : réseau cœur (CN : Core Network) + réseau d’accès

(AN : Access Network) + équipement utilisateur (UE : UserEquipment) intégrant une carte USIM.

• Iu est l’interface entre CN et AN.

Réseau cœur GSM

Réseau cœur IP GPRS

Réseau cœur IS-41

Cdma 2000

EDGE

TDD ModeTD-CDMA

WCDMA

Inter-workingfunctions

CN

CN

BRAN SRAN UTRAN

Réseau d’accès

Iu

BRAN : Broadband Radio Access NetworkSRAN : Satellite Radio Access NetworkUTRAN : UMTS Terrestrial Radio Access

Network


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H. KHEDHER 44

Le découpage en strates

Radio(Uu)

IuMobile UTRAN CN

Non Acces Stratum

Access Stratum

P r o t o c o l e s r a d i o

P r o t o c o l e s r a d i o

P r o t o c o l e s I u

P r o t o c o l e s I u


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Access Stratum et Non Access Stratum

• Access Stratum (AS) : Toutes les fonctions liées au réseaud’accès – Fonctions de gestion des ressources radio et de handover

– Protocoles de l’interface radio

– Protocoles de l’interface Iu • Non Access Stratum (NAS)

– Fonctions d’établissement d’appel correspondant aux couches de protocoles CC (Call Control ) pour les appels circuit et SM (Session Management ) pour les appels paquet.

– Fonctions de gestion de la mobilité des mobiles en mode veille (MM : Mobility Management pour les appels circuit, GMM : GPRS Mobility Management pour les appels paquet)


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Qualité de service

QoS = Ensemble d’attributs de service Classe de service,

Débit crête,Débit garanti,

Taux d’erreur résiduel,

Type de trafic.


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H. KHEDHER 47

Caractéristiques du NSS

• 1 seul Core Network simplifie la gestion du réseau,• 1 Core Network basé sur les technologies IP,• Une architecture orientée Client/Serveur avec des

solutions standard IP,

• Utilisation de serveurs de téléphonie et d’unitésd’interconnexion pour le support des servicesspécifiques RTC/RNIS (voix, fax, modem,…),

• Utilisation de technologies proxy pour le transportefficace de données sur l’interface radio,

• Amélioration de la QoS pour satisfaire toutes lesapplications temps-réel,

• Utilisation de routeurs très haut débit (terabit routers).


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H. KHEDHER 48

Utilité d’un cœur de réseau IP

• Données plus importantes que la voix dans le futur Besoin de réseaux optimisés

- Avant : données sur des réseaux CS optimisés pour la voix- Aujourd’hui : réseaux PS et CS co-existants

- Demain : voix sur réseaux de données optimisés pour la voixet les données

• L’intégration de services nécessite un réseau unifié- Pas de différence entre les media (voix, données, vidéo)

- Pas d’appels dépendant du média mais des sessionsindépendantes du média

• Facil i téde gestion


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Protocoles Réseau

UMTS ServicesVHF, Multimédia, Telecom Services,Services capabilities, OSA, Application

Transport Network

ISUP GSM/UMTSCore Network IP

Radio Access Network

GSM

BSS

WCDMA

RAN

Network Management

ProvisioningCharging

ISUP, INAP, TCP/IP, MAP

GSM/UMTS and UMTS terminals

Architect re d résea GSM/GPRS


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H. KHEDHER 50

Architecture du réseau GSM/GPRS

G b GsGd Gr

Gf

Gc

GiGn

Gn

G p

A AbisHLR

EIR

MS

BSC MSC/VLRSMS-GMSC ouSMS-IWMSC

SGSN

SGSN GGSN

Réseau fédérateur GPRSIntra-PLMN

GGSN

Autre PLMN

Réseau de donnéesX25, IP,… = réseau PDP

Signalisation ettransmission de données

Signalisation pure(en ce qui concerne GPRS)


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H. KHEDHER 51

Architecture du réseau GSM

MS BSCBTS

BTS

Abis

OMC-R

TRAU

MSC/VLR

NSSBSS OMC-N

HLR

PSTN

Plate-forme IN

A hit t é é l d l’UMTS


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H. KHEDHER 52

Architecture générale de l’UMTS

MS

MS

Um

Uu

BTS

Node B

BSC

RNC

A

Iu

Iu

SGSN

Réseau

IP

InfrastructureGPRS

BG GGSN

GrHLR-AuC

C

F

RTC

EIR

MSC

RéseauInternet-intranet

Gi

PLMN PLMN

Réseauinter-PLMN

T i l i UMTS GSM


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H. KHEDHER 53

Terminologie UMTS-GSMUMTS GSM Commentaire

UE (User Equipment) MS (Mobile station)

Node B BTS (Base TransceiverStation

Un NodeB est moins autonomequ’une BTS

RNC (Radio Network Controller) BSC (Base station

Controller)

Un RNC est plus complexe qu’unBSC puisqu’il contrôle

complètement les NodeB

UMSC (UMTS MSC) MSC (Mobile-servicesswitching Center)

RNS (Radio Network Subsystem) BSS (Base StationSubsystem)

Interface Iub Interface Abis Entre BTS et BSC (NodeB-RNC)

Interface Iu Interface A Entre BSC (RNC) et réseau coeur

Interface Iur Inexistante Entre 2 RNC


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Services de localisation

• Services de localisation (LCS : LoCation Services) : utilisés par les opérateurs, le mobile d’un abonné et un fournisseur deservice tiers. Information de localisation horodatée avecestimation de l’erreur de localisation.

• BD (GMLC : Gateway Mobile Location Center ).

• Le RNC réalise la plupart des fonctions de localisation.Méthodes :

- Cell Id,- OTDOA (Observed Time Difference Of Arrival ) : basée sur les

mesures faites par UE à partir des délais de propagation dessignaux pilotes des NB : UE calcule le RTD ( Relative Time Difference) entre trois NB ; ces trois RTD donnent la positionexacte de UE.

- GPS (Global Positioning System).


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H KHEDHER 55

Réseau fixe

2 options :

Architecture basée sur l’ATM

Utilisation d’une architecture où le transportd’informations usager est indépendant ducontrôle

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