Du GSM à la 4G pour OfficeTourismeGrenobleamis-des-sciences.org/conferences/diapo/16-01-15.pdf · G/E/H/H+/4G pour de nouveaux services. 30 th of August, 2012 Capacitéd’un lienWireless

Du GSM à la 4G

J.N ROZEC

30th of August, 2012

Services, Applications

proposéset

à venir

Roadmap Cellulaire

PHONIE

ACCES au CONTENU CONNECTING PEOPLE

PERSONALCOMMUNITIES

LOCATION

Lien Direct à une

Personne

Toujours ON, IP-based

Knowledge of Location

Voix Riche et Simple Voice

Créer, Trouver& acheter

(internet)

Recevoir(Broadcast)

Mail and Messaging

services(internet and

MMS)

Collaborer, partager, jouer

(internet)

Services basées sur

la Localisation

INFORMATION et CONTENU (Non-Phonie)

Panel des Services Mobile

G/E/H/H+/4G pour de nouveaux services


Capacité d’un lien Wireless et qualité de service

3G Cellular 2 Mbit/s

Bluetooth 2.2 Mbit/s

WLAN 11n 108 Mbit/s

USB2.0 480 Mbit/s

WLAN 11g 54 Mbit/s

action

20 s 1 min 2 hours1 hour1 s . . .

SauvegardeDonnées

512 Mo

TransfertD’une image

5.0 Mpixjpeg - 4 Mo

Téléchargementd’un film

Mpeg4 - 243 Mo

23 s

50 s

20 min

1 s

2 s

20 s

50 s

2min

42 min

Doit se faire en tache de fond ou la nuit

OK Je fais autre chose en attendant

Prenons un café

5 s11 s

18 min39 min

18 s

0.5 s

3.5G Cellular or Wimax 7.2 Mbit/s

7 min7 s

16 min

Positionnement des Technologies

• Les technologies Wireless peuvent être classées en 4 catégories principales selon leur portée

• D’autres sous-catégories sont basées sur le débit et la mobilité

• Aucune de ces technologies wireless peut couvrir tous les besoins: =>Multi-access

10 m 50-100 m Few kms 10 kms and above

(1) Inclus les Broadband Wireless Access (BWA) et les réseaux Cellulaires

(1)


La Roadmap Wireless

1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030

4G

5G

3G

2G

WiFI

Débit et mobilité

Peak

Moyen

Trafic

t

Le trafic n’est plus seulement circuit (Téléphonie / Débit fixe régulier), il peut être paquet (sporadique caractérisé par des fort débits instantanés, Surf sur Internet)

Et certaines applications sont plus ou moins toléra ntes aux erreurs

Trafic Circuit et/ou Paquets

Toute application sur tout réseau sans fils (avec des qualités variables) : Paquets Internet Protocol (IP)

Tout EquipementNumérique

(contenus totalementnumérisés )

Paquets TCP/IP sur tout support

(variété de réseaux d’accèsfilaire et sans fils )

SERVICES basés WEB

(virtuellement une infinitéde cas usuels et d’applications)

“L’Internet”

iTunes

“Le Web”

Contenu Généré par l’Utilisateur: UGC

téléchargerEnregistrer

rechercher

Services Basés sur la Localisation : LBS

http://m.maps.google.com?r

localisation

http://m.maps.google.com

Google Services

localisation&

Mots clés


… vers la 5G

Physiologie et Psychologie

Communications -> +Monitoring -> +Control

Monitoring / Sensing

La Réalité Augmentée

Platooning 2.0 des véhicules

L’Humain dans la boucle

Contrôle de Trafic

� Faible retard de latence E2E et communications fiables permettantdes applications critiques entre machines

� Aider les industries à embarquer de nouvelles technologies dans leursprocessus

Sûreté et Gestion du Trafic routier� Utilisation plus efficace des infrastructures routières� Réduction des risques d’accidents


Les Standards cellulaires dans le monde

Détail des évolutions des standards 2-4G

GSM

TDMA

GSM

PDC

cdmaOne

iDEN

GPRS

EDGE

W-CDMA

CDMA2000 1x CDMA2000 1xEV-D0

W-CDMA

TD-SCDMA/W-CDMA/ CDMA2000 1xEV-D0

China

NTT DoCoMo

Rev A

HSDPA

GPRS

2G 2.5G 3G 4G

WiMAX (IEEE)LTE (3GPP)

UMB (3GPP2)

EDGE

HSDPA

(3GPP/3GPP2)

(3GPP)

(3GPP2)

(3GPP)

Prévisions Marketing sur les nouvellestechnologies et réalités…

• Tous les nouveaux déploiements ont toujours du retard• Le cycle typique Lancement-point d’inflexion est de 4-5 ans• Le cycle typique Lancement-point pic de ventes est >10 ans

• WiMax, Femto, 3G LTE ne seront pas différents

? ?

(not a major std release,“retrofit” on WCDMA)


Marketing 4G


Evolution du trafic données vs Phonie

� Les usages Phonie correspondent à 2.4 TB/jour (2 Msub, 300 min/mois, 16 kbps)� Les réseaux mobile sont passés de la phonie dominante aux data dominants en terme de trafic


Prévision en Demande Données sur Mobile

1 ExaBytes = 1018 Bytes


Davantage de smart phones que de PCs …(en incluant netbooks et notebooks)


Applications et MBytes…


Les Terminaux continuent à définir les comportements


Trafic Moyen par Equipement (MB/mois)

Le Marché GSM/UMTS/HSPA/LTE

• GSM/UMTS ont une position dominante en termes d’abonnés, de déploiement, et de services.

• GPRS/EDGE (Voice and basic data) est encore important et en croissance sur les pays émergents


32

Distribution des Abonnés Mobile (Q2/2015)

% of population within a Region using LTE


Les Tendances des Technologies Sans-fils dans le monde


Les Tendances des Technologies Sans-fils dans le monde:Les Abonnés

2G

3G

4G


Objets Connectés (M2M) par Applications pour le secteur Consumer Electronics


Besoin Opérateur en Spectres


Demande Clients et Capacité Opérateur

� Usage moyen utilisateur sur l’ensemble des utilisateurs � Capacité moyenne pour chaque utilisateur data avec hypothèse optimiste de 50 MHz de spectre (25 MHz + 25 MHz) déployé par l’opérateur pour uniquement les services broadband data (10‐20 MHz pour lebroadband est plus commun aujourd’hui…)


Canaux Flexibles

Une bande 4G-LTE très flexible:

- Bien sûr les débits max annoncés le seront dans la bande des 20 MHz

- On pourra envisager une évolution lente des réseaux actuels (GSM/GPRS/UMTS/HSPA) vers LTE en capitalisant sur le spectre existant.

Plutôt pensé FDD mais le TDD existe aussi en option ainsi qu’une voie possible vers le FDD/TDD combiné

1.4 MHz 3 MHz

La Chine…

Cas du LTE en bande 900 MHz ou 1800 MHz … même en Europe !

Ré-allocation de bandes


Prix de vente des Fréquences…


Points sur les déploiements 3GPP

Le Spectre TDD est bien moins cher que le FDD

La vente en Inde à BWA a boosté l’intérêt de l’industrie sur le LTE TDD Des Opérateurs en Asie, Europe, Amériques du Nord et du Sud et en Océanie ont déployé 32 réseaux expérimentaux jusqu’à présent.


Déploiements:

Quelques challenges…

44

GSMUMTS

4G

Radio:� lois de propagation

� fading /shadowing

� accès / duplex

� contrôle de puissance

Ingénierie:� bilan de liaison

� capacité / couverture

Transmission Numérique:� codage source

� protection

� modulation

� performances

Mobilité:� itinérance

� handover

� roaming

� paging

Sécurité:� identités

� chiffrement

� authentification

Concepts du Cellulaire

Duplex FDD

Temps

Fréquence

UPLINK DOWNLINK

Écart Duplex

Duplex TDD

Temps

Fréquence

UPLINK

DOWNLINK

Temps de Garde

UPLINK

DOWNLINK

Temps de Garde

Temps de Garde


Du FDMA à l’OFDMA

Réflexion double

Diffraction

Trajet direct

Réflexion simple

Récepteur

Emetteur

� Réponse impulsionnelle caractérisée par le modèle � Réponse impulsionnelle caractérisée par le modèle

∑=

−=N

i

itath i

1

)()( τδτ

Nombre de chemin

Poids du chemin #i de puissance moyenne |ai|2

Retard associé au chemin #i

Trajets Multiples

τi

|ai|2Étalement

0 5 10 15 2020

15

10

5

0

5TU profile

Delay (µs)

Atte

nuat

ion

(dB)

0 5 10 15 20

20

15

10

5

0

5HT profile

Delay (µs)

Atte

nua

tion

(dB

)

0 5 10 15 20

20

15

10

5

0

5RA profile

Delay (µs)

Attenuatio

n (dB)

URBAIN (TU) MONTAGNEUX (HT)

RURAL (RA)

Exemples Typiques


Deployment Challenges

Coût

Fréquences Mobiles

Compétition avec autres technologies

cellulaires

Déploiements: quelques défis

Cellules: des grandes et des petites

• Haute sensibilité aux interférences

• Nécessite des schémas de réutilisation de fréquences efficace.

• Haute isolation aux interférences

• Peu de fréquences réutilisées fortement

MACRO - CELL :Antenne ‘sur’ les toits---> grande couverture

(< 35 km)

MICRO-CELL:Antenne ‘sous’ les toits

---> petite couverture

PICO-CELL:Antenne dans les building---> Très petite couverture

EXTENDED - CELL:macro cell avec système de couverture étendu ( ≤ 120 km)

Affaiblissement en Espace Libre

d= 1 km – PL de 91.5 dB

f = 900 MHz

Pe = 20 W = 43 dBm

f = 900 MHz

Pe = 20 W = 43 dBm

Pr = - 48.5 dBm

~ 1.4 10-8 W

Pr = - 48.5 dBm

~ 1.4 10-8 WPr = - 68.5 dBm

~ 1.4 10-10 W

Pr = - 68.5 dBm

~ 1.4 10-10 W

d= 10 km – PL de 111.5 dB

er Pdf

cP

2

4

=

π er Pdf

cP

2

4

=

πer Pd

P2

4

=πλ

er Pd

P2

4

=πλ

Modèle à Trois Etages

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Distance (m)

Cha

mp

(dB

m)

MesuréEspace Libre

Fading à court terme

Fading à court terme

Fading à Long TermeFading à Long Terme

± 2 m

≅ λ/2

Relevé de mesure de puissance sur DCS 1800

Relevé de mesure de puissance sur DCS 1800

Affaiblissement en 1/d nAffaiblissement en 1/d n

ANALYSE

� Nombre de ressources radio nécessaire pour contenter la population de la zone considérée.

� Si le nombre de ressources radio est insuffisantes ou si la portée maximale naturelle du système ne permet pas de couvrir la zone il faut segmenter le territoire en sous zones appelées Cellules.

ANALYSE

� Nombre de ressources radio nécessaire pour contenter la population de la zone considérée.

� Si le nombre de ressources radio est insuffisantes ou si la portée maximale naturelle du système ne permet pas de couvrir la zone il faut segmenter le territoire en sous zones appelées Cellules.

Etendue géographique à doter de suffisamment de ressources radio pour la population présente

Etendue géographique à doter de suffisamment de ressources radio pour la population présente

Densité de la Zone

Urbain Dense: > 8000 abonnés/km2

Urbain : de 3000 à 8000 abonnés/km2

Sub Urbain : de 10 à 3000 abonnés/km2

Rural : < 10 abonnés/km2

Densité de la Zone

Urbain Dense: > 8000 abonnés/km2

Urbain : de 3000 à 8000 abonnés/km2

Sub Urbain : de 10 à 3000 abonnés/km2

Rural : < 10 abonnés/km2

La Cellule

On la représente en forme d’hexagone pour des raisons de simplicité. C’est la forme la plus proche du cercle et permettant un pavage du plan simple.

Il ne faudrait pas croire naïvement que les lois de propagation suivent une logique hexagonale !!!

La Cellule

On la représente en forme d’hexagone pour des raisons de simplicité. C’est la forme la plus proche du cercle et permettant un pavage du plan simple.

Il ne faudrait pas croire naïvement que les lois de propagation suivent une logique hexagonale !!!

Cellules: grandes ou petites ?

Plus la cellule est grande:

� plus le nombre de connections est faible

� plus le trafic écoulé est faible

� plus les interférences sont faibles

� le système travaille en C/N

ZONE RURALE

Plus la cellule est grande:

� plus le nombre de connections est faible

� plus le trafic écoulé est faible

� plus les interférences sont faibles

� le système travaille en C/N

ZONE RURALE

Plus la cellule est petite:

� plus le nombre de connections de la zone à couvrir est grand

� plus le trafic écoulé est élevé

� plus les interférences sont importantes

� le système travaille en C/I

ZONE URBAINE

Plus la cellule est petite:

� plus le nombre de connections de la zone à couvrir est grand

� plus le trafic écoulé est élevé

� plus les interférences sont importantes

� le système travaille en C/I

ZONE URBAINE

Cellules: grandes ou petites ?

Ingénierie : Comment faire ?

Approche Mathématique

Relevés Terrain

Simulateurs L1 et Systèmes

∑

∑

=

=

+=

+=

UE

UE

N

iiiULUL

N

iiiDLDL

RSBf

RSBf

1

1

)1(

)(

νη

ναη

Zone Limitée en Couverture

Zone Limitée par le TRAFIC

(10000 abonné/km2)

Zone Limitée en Couverture

Couverture / Capacité

Localisation / Paging

Découpage du territoire en zones de localisation

Handover

HANDOVER

Contrôle de Puissance

Power Control

P1

P2 MS

BTS

Mesure du Signal Reçu

Point deRéférence

CLOSED LOOP

BTS

MS Diffusion Pe / Sensi / DELTAUL

OPEN LOOP

Calcul de PMS

UE (User Equipment): Terminal Radio

USIM (UMTS Subscriber Identity Module): Carte contenant l’identité de l’abonné, les algorithmes de chiffrement et les informations relatives à l’abonnement

Le mobile 4G LTE

4 classes de puissances sont définies en LTE pour les mobiles comme en UMTS :

Classe 1 : +33 dBmClasse 2 : +27 dBmClasse 3 : +24 dBmClasse 4 : +21 dBm

4 classes de puissances sont définies en LTE pour les mobiles comme en UMTS :

Classe 1 : +33 dBmClasse 2 : +27 dBmClasse 3 : +24 dBmClasse 4 : +21 dBm

Catégories de mobile UE

DistanceUL_Guar_Serv

128kbps – garanti en bordure de cellule

256kbps

512kbps

Débits montants

Débits descendants

3921kbps

8623kbps

1323kbps

UL/DL: Bilan de Liaison en LTE


Sécurité dans les Réseaux Mobiles

Voici quelques-unes des menaces principales en terme de Sécurité :

• Accès et usage illégaux des identités d’un utilisateur et de son mobile equipment (ME)— pour accéder aux services réseau

• Suivi d’un utilisateur basée sur l’identité temporaire UE, les messages de signalisation, etc…

• Accès et usage illégaux des clés utilisées dans les procédures de sécurité pour accéder aux services réseau

• Modification malicieuse des paramètres du téléphone afin de le bloquer pour les services normaux, soit pour une période de temps étendue, soit permanente.

• Falsification volontaire des informations système émises par le réseau

• Ecoute et modification illégales des contenus des paquets IP

• Refus de service pour un utilisateur

• Attaques sur l’intégrité des données (signalisation ou trafic usager) par replay

Menaces Majeures et Demandes de SECURITE

Les demandes de Sécurité majeures sont:

• Robustesse améliorée de toutes les sécurités par rapport à la 3G: pour prendre en compte les fonctionnalités ajoutés/nouvelles et les cas cités précédemment et travailler dans un environnement sécurisé

• Confidentialité de l’identité Utilisateur: afin de s’assurer qu’aucune identification ou tracking illégal d’un abonné soit possible

• Authentification mutuelle de l’abonné et du réseau: pour assurer chaque coté qu’ils communiquent avec l’entité correcte, autorisée à faire cette transaction

• Confidentialité des Data: pour qu’aucune écoute des data échangés ne soit possible

• Intégrité des Data: pour assurer que les data reçues n’ont pas été modifiés

• Interfonctionnement avec la 2G/3G: pour assurer que les procédures d’accès inter-radio fonctionnent comme prévues sans introduire des failles de sécurité provenant des autres technologies d’accès dans le LTE/SAE

• Protection contre les replays: pour assurer qu’un intrus ne puisse pas rejouer des messages de contrôles déjà transmis

Menaces Majeures et Demandes de SECURITE en 4G

Architecture de Sécurité pour le réseau 4G

• Niveau Réseau Radio (Niveau I): Ce sont les caractéristiques de sécurité qui protègent le lien radio et fournissent aux utilisateurs des accès sécurisés à l’ EPC et aux réseaux de back-end.

• mécanismes de sécurité entre carte USIM, le Mobile, le réseau radio,

• La protection d’intégrité et le chiffrement définis dans l’EPC sont des exemples.

• Niveau Réseau fixe (Niveau II): Ce sont les caractéristiques de sécurité qui protègent les réseaux filaires et leur permet d’échanger des données de manière sécurisée.

• Cela peut être de l’IPSec.

• Niveau Utilisateur (Niveau III): se passe entre la carte USIM et le Mobile. authentification mutuelle de l’USIM et du ME avant de pouvoir accéder de part et d’autre, en utilisant le code secret PIN.

• Niveau Application (Niveau IV): caractéristiques de sécurité permettant aux applications présentes dans le Mobile et les réseaux back-end d’échanger de l’ information de manière sûre.

Quatre niveaux de sécurité spécifiés:

Algorithme DES

� Clé à 56 bits permettant d’encrypter des blocs de 64 bits

� La même clé sert au chiffrement et au déchiffrement

Algorithme DES

� Clé à 56 bits permettant d’encrypter des blocs de 64 bits

� La même clé sert au chiffrement et au déchiffrement

DES

64 bits en Clair 64 bits Chiffrés

CLE 56 bits

Pour sécuriser il faut:

� Ne pas divulguer la clé

� Dissocier le monde clair du monde chiffré car une observation trop fréquente de paires {Clair/Chiffré} permettrait de trouver la clé

Pour sécuriser il faut:

� Ne pas divulguer la clé

� Dissocier le monde clair du monde chiffré car une observation trop fréquente de paires {Clair/Chiffré} permettrait de trouver la clé

Principes de Cryptographie à clés secrètes

Clé Ki Clé Ki

RAND

Génération de Signature

Signa

Génération de Signature

Signa

Comparaison

Génération des Clés

Clé Ki Clé Ki

RAND

Algorithme de Génération des

Clés

Clé Kc

Algorithme de Génération des

Clés

Clé Kc Authentification

Principes de Génération des clés secrètes

Identité Absolue ou Temporaire

Je m’appelle Robert !!

NON ! Tu t’appelles

Raymond

ID_USER

ID_TEMP_USER

Pour tromper l’ennemi on va chercher à brouiller les pistes et utiliser un pseudonyme pour se faire connaître du réseau.

Pour tromper l’ennemi on va chercher à brouiller les pistes et utiliser un pseudonyme pour se faire connaître du réseau.

Sécurité et Identité

Documents

Du GSM à la 4G pour OfficeTourismeGrenobleamis-des-sciences.org/conferences/diapo/16-01-15.pdf · G/E/H/H+/4G pour de nouveaux services. 30 th of August, 2012 Capacitéd’un lienWireless