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Transmissions et Protocoles
Nathalie [email protected](LIFL, projet INRIA/CNRS/USTL POPS)
2USTL/INRIA/CNRS
Le RTC
3USTL/INRIA/CNRS
RTC
Radio téléphonique commutéSTN : Switched Telephone Network
Met en relation deux abonnés à travers une liaison dédiée pendant tout l’échange
Liaison d’abonnéou boucle locale
4USTL/INRIA/CNRS
RTC (2)
Principalement du transport de voix.
Utilise comme support des lignes électriques sur lesquelles transite un courant analogue aux signaux sonores.
Commutation de circuits
Communication full duplex avec une bande passante de 64kb/s dans chaque sens.
5USTL/INRIA/CNRS
RTC élémentaire
Une liaison téléphonique élémentaire est constituée par :2 émetteurs-récepteurs (postes téléphoniques)Une ligne acheminant les signauxUne source d’énergie électrique E. La tension continue nécessaire à l’alimentation des postes est fournie par une source installée au central téléphonique.
6USTL/INRIA/CNRS
historique
1854 : Charles Bourseul imagine un système de transmission électrique de la parole.1876: Alexander Graham Bell construit le premier téléphone capable de transmettre la voix humaine en en respectant le timbre.
Vendus par pairesUn téléphone ne peut joindre qu’un seul correspondant.Si X veut appeler Y, Z et T, il lui faut 3 téléphones, un pour chaque correspondant.
Les villes se couvrent de fils électriques.
Système difficilement extensible.
1878: premier central téléphonique à New Heaven (Connecticut) par Bell.
A l’origine, mise en relation manuelle par les opérateurs.
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7USTL/INRIA/CNRS
Historique (2)
1889 : premiers concepts d’automatisationApparition des PABX (Private Automatic Branch Exchange) Un PABX est un standard automatique qui vous aiguille sur le poste désiré après que vous ayez composé un code particulier.
1970 : le réseau téléphonique français est entièrement automatisé
Grâce aux recherches du CNET, mise en place du premier central entièrement électronique au monde.
1972 : première liaison visiophonique sur liaison haut débit entre les sites CNET de Paris et Lannion
1987 : ouverture de Numéris
8USTL/INRIA/CNRS
Architecture traditionnelle
Organisation hiérarchique de 3 niveaux
9USTL/INRIA/CNRS
Architecture traditionnelle (2)
Réseau structuré en zones, chaque zone correspond à un niveau de concentration et de taxation.
ZAA : zone à Autonomie d’acheminementComporte 1 ou plusieurs commutateurs à autonomie d’acheminement (CAA) desservant des commutateurs locaux (CL), concentrateurs de ligne raccordant l’abonnéfinal.Les CAA mettent en relation les clients d’une même zone géographiqe.Réseau étoiléRéseau de desserte
ZTS : zone de transit secondaire
ZTP : zone de transit principal
10USTL/INRIA/CNRS
Architecture traditionnelle (3)
Réseau structuré en zones, chaque zone correspond à un niveau de concentration et de taxation.
ZAA : zone à Autonomie d’acheminement
ZTS : zone de transit secondaireComporte les concentrateurs de transit secondaire (CTS)Pas d’abonnés directement reliésLes CTS assurent le brassage de circuits lorsque 2 CAA ne peuvent communiquer directement
ZTP : zone de transit principal
11USTL/INRIA/CNRS
Architecture traditionnelle (4)
Réseau structuré en zones, chaque zone correspond à un niveau de concentration et de taxation.
ZAA : zone à Autonomie d’acheminement
ZTS : zone de transit secondaire
ZTP : zone de transit principalAssure la commutation des liaisons longues distancesComprend un Commutateur de Transit Principal (CTP)Au moins un CTP relié à un Commutateur de Transit International (CTI)
12USTL/INRIA/CNRS
Architecture traditionnelle (5)
Le réseau est un réseau maillé :plusieurs itinéraires entre deux abonnés
2 types de faisceauxFaisceau de premier choix
Choisi en prioritéPour un numéro donné, conduit l’appel vers le commutateur le plus proche de l’abonné en empruntant les faisceaux de plus faible hiérarchie
Faisceau de second choixFaisceau de débordement
Les informations de gestion, appelées « signalisation »transitent sur une réseau parallèle : le réseau sémaphore.
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13USTL/INRIA/CNRS
Gestion du réseau
Trois fonctions de gestion:
La distributionLiaison d’abonné ou boucle localeRelie l’abonné au centre de transmission de rattachementTransmission de la voix : fréquence vocale de 300 à 3400HzTransmission de la numérotation
Fréquence de la numérotation décimale (au cadran) : 10HzFréquence de la numérotation fréquentielle : de 697 à1633 Hz
Transmission de la signalisation générale
La commutation
La transmission
14USTL/INRIA/CNRS
Gestion du réseau (2)
Trois fonctions de gestion:
La distribution
La commutationFonction essentielle du réseau
Mise en relation de deux abonnésMaintient de la liaison durant tout l’échangeLibération des ressources
Paramètres de taxation déterminés par le réseau
La transmissionPartie support de la communicationAujourd’hui, seule la boucle locale reste en cuivre et analogique, le reste, fibre optique et numérique
15USTL/INRIA/CNRS
La boucle locale
Partie comprise entre le client et le centre de rattachement du réseau de l’opérateur.
3 zones essentiellesLa partie « branchement »La partie « distribution »La partie « transport »
16USTL/INRIA/CNRS
La boucle Locale - Branchement
Partie reliant les clients aux points de raccordement
Câbles en cuivre
Une ligne = une paire de fils transmettant la voix et les données sous forme de signaux électriques
Une paire par ligne posée
En France, câbles généralement organisés en regroupements de 7 paires. En fonction de la capacité d’abonnés recherchée, multiple de 7.
Lorsque le câblage est impossible (ex: montagne), on utilise lesfaisceaux hertziens : boucle locale radio.
17USTL/INRIA/CNRS
La boucle Locale - Distribution
Câbles de moyenne capacité
Partie reliant les points de raccordement à un sous-répartiteur.
18USTL/INRIA/CNRS
La boucle Locale - Transport
Partie connectant les sous-répartiteurs à un répartiteur
Câbles de forte capacité
Chaque paire de cuivre correspondant à un client est reliée au répartiteur.
Le répartiteur reçoit l’ensemble des lignes d’usager et les répartit sur l’ensemble du central téléphonique grâce à une jarretière.
Le répartiteur est un équipement passif de câblage centralisant les lignes de la zone de desserte du CAA.
Le répartiteur assure la correspondance entre une ligne et un équipement téléphonique.
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19USTL/INRIA/CNRS
Communication entre le téléphone et le central
20USTL/INRIA/CNRS
Communication entre le téléphone et le central (2)
Chaque téléphone grand public est connecté à un central RTC.
Connexion via une paire de fils de cuivreDiamètre 0.5 mm environImpédance de 600ΩLors d’une communication :
Transporte une composante continue d’alimentation du posteTransporte le signal vocal
Nouveaux systèmesCâbles coaxiaux ou fibre optique pour augmenter la bande passante.
21USTL/INRIA/CNRS
Numérotation
22USTL/INRIA/CNRS
Numérotation par impulsions
numérotation par impulsion ou numérotation décimale ou numérotation par ouverture de boucle
Utilisée par les téléphones à cadran rotatif (poste à disque)
Courant continu et interrompu en un nombre de fois correspondant au chiffre envoyé.
1 impulsion pour le 12 impulsions pour le 2…10 impulsions pour le 0
Une impulsion dure 100ms, 2 trains d’impulsion sont séparés d’au moins 200ms.
23USTL/INRIA/CNRS
Numérotation par impulsions (2)
principe très lent
24USTL/INRIA/CNRS
Numérotation par fréquences vocales
Fréquences vocales ou DTMF (dual tone multi frequency)
Génère des sonorités codées
Émet des fréquences spécifiques dans la bande 300Hz-3400Hz
Mais si une seule fréquence associée à un chiffre, un sifflement peut provoquer une erreur de numérotation.
solution : émission de 2 fréquences simultanées par chiffre
Fréquences normalisées au plan international (norme UIT-T-Q.23)
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25USTL/INRIA/CNRS
Numérotation par fréquences vocales (2)
En appuyant sur une touche, on émet 2 tonalités, correspondant à l’intersection de l’axe horizontal et de l’axe vertical.
26USTL/INRIA/CNRS
Transmission de la voix
Bande passante du téléphone : de 300Hz à 3.4kHzBande de fréquences dans laquelle se situe l’énergie vocalePermet une conversation fiableExplique la difficulté de différencier les « b », « p » et « d » au téléphone.
En communication, signaux vocaux modulés en amplitude dans cette bande de fréquences.
Les commutateurs supervisent et détectent le raccrochage de l’un des postes pour libérer la ligne et arrêter la taxation.
27USTL/INRIA/CNRS
Transmission des donnéesPermise grâce à la numérisation des commutateurs
Modem = interface qui permet de véhiculer les données numériques en les modulant en signal analogique
Vitesse de modulation : 56 kbauds.
?LenteurOccupation de la ligne téléphonique durant la connexion Internet
28USTL/INRIA/CNRS
La boucle locale radio
29USTL/INRIA/CNRS
La BLR
Boucle locale radio (BLR) ou Wireless Local Loop (WLL) ou WMAN (Wireless MAN)
Utilisée là où le câblage est difficile, dans les zones isolées ou trop éloignées géographiquement des métropoles.
IEEE 802.16 (ou WiMax = Worldwide Interoperability for Microwave Access.)
Norme débutée en 1999 et aboutie en avril 2002, permet une production de masse et une baisse des prix.
30USTL/INRIA/CNRS
WiMax
objectifs du WiMAX :
fournir une connexion internet à haut débit sur une zone de couverture de plusieurs kilomètres de rayon.
permettre une connexion sans fil entre une station de base (en anglais Base Transceiver Station, notée BTS) et des milliers d'abonnés sans nécessiter de ligne visuelle directe (en anglais Line Of Sight, parfois abrégés LOS) ou NLOS pour Non Line Of Sight).
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31USTL/INRIA/CNRS
WiMax - Principes
Le cœur de la technologie WiMAX est la station de base, c'est-à-dire l'antenne centrale chargée de communiquer avec les antennes d'abonnés(subscribers antennas).
liaisons point-multipoints
Zones à couvrir quadrillées par des stations de base
32USTL/INRIA/CNRS
WiMax – Principes (2)
33USTL/INRIA/CNRS
WiMax – Principes (3)
Spectre de fréquences étenduDe 2 à 11 GHz3.5 GHz en France
Type d’ondes millimétriques, proche de la lumièreSe propagent en ligne droiteLa station de base peut disposer de plusieurs antennes, une par secteur (comme en GSM), chaque secteur étant indépendant.
34USTL/INRIA/CNRS
WiMax – Principes (4)
Utilise l’OFDM et l’OFDMA et les antennes intelligentes
OFDM = Orthogonal Frequency Division MultiplexingL'idée de base de l'OFDM réside dans le fait de répartir un train binaire haut-débit en une multitude de trains (ou canaux), lesquels étant modulés à bas-débits Chacun de ces sous-canaux est modulé par une fréquence différente, l'espacement entre chaque fréquence restant constant. Ces fréquences constituent une base orthogonale : le spectre du signal OFDM présente une occupation optimale de la bande allouée mais nous verrons cela en détail plus tard.
OFDMA = Orthogonal Frequency Division Multiplexing AccessVersion multi-accès de OFDM
35USTL/INRIA/CNRS
WiMax – Principes (5)
OFDM dans WiMax : 3 modulationsPour les abonnés proches
Signal fort Modulation QAM-64 à 6b/sPour les abonnés moyennement proches
Modulation QAM-16 à 4b/sPour les abonnés lointains
Modulation QPSK (4 phases) à 2b/bauds
Allocation de la bande passanteDuplexage fréquentiel (FDD – Frequency Division Duplexing)
BP divisée en canauxAffectation des canaux (montants ou descendants) suivant algorithme particulier
Duplexage temporel (TDD – Time Division Duplexing)Temps divisé en tramesTrames divisées en slots de temps
36USTL/INRIA/CNRS
WiMax - Débits
Dans la théorie, le WiMAX permet d'obtenir des débits montants et descendants de 70 Mbit/s avec une portée de 50 kilomètres.
Dans la réalité le WiMAX ne permet de franchir que de petits obstacles tels que des arbres ou une maison mais ne peut en aucun cas traverser les collines ou les immeubles. Le débit réel lors de la présence d'obstacles ne pourra ainsi excéder 20 Mbit/s.
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37USTL/INRIA/CNRS
La BLR – Les débits
Environnement Taille de la cellule Débit par secteur d'antenne
Urbain intérieur (NLOS) 1 km 21 Mbit/s (canaux de 10 MHz)
Rurbain intérieur (NLOS) 2,5 km 22 Mbit/s (canaux de 10 MHz)
Rurbain extérieur(LOS) 7 km 22 Mbit/s (canaux de 10 MHz)
Rural interieur (NLOS) 5,1 km 4,5 Mbit/s (canaux de 3,5 MHz)
Rural extérieur (LOS) 15 km 4,5 Mbit/s (canaux de 3,5 MHz)
38USTL/INRIA/CNRS
WiMax – évolutions du standard
Les révisions du standard IEEE 802.16 se déclinent en deux catégories :
WiMAX fixeIEEE 802.16-2004pour un usage fixe antenne montée sur un toit, à la manière d'une antenne TV.bandes de fréquence 2.5 GHz et 3.5 GHz, pour lesquelles une licence d'exploitation est nécessaire, ainsi que la bande libre des 5.8 GHz.
WiMAX mobile (en anglais WiMAX portable)IEEE 802.16eprévoit la possibilité de connecter des clients mobiles au réseau internet. Le WiMAX mobile ouvre ainsi la voie à la téléphonie mobile sur IP ou plus largement à des services mobiles haut débit.
39USTL/INRIA/CNRS
WiMax – évolutions du standard
Standard Bande de fréquence Date Etat
IEEE std 802.16 Réseaux métropolitains sans fil - bandes de fréquences supérieures à 10 GHz.oct-02 Obsolète
IEEE std 802.16a Réseaux métropolitains sans fil - bandes de fréquences de 2 à 11 GHz.09-oct-03 Obsolète
IEEE 802.16b Réseaux métropolitains sans fil - bandes de fréquences de 10 à 60 GHz.Fusionné avec 802.16a (Obsolète)
IEEE std 802.16c Options (profils) pour les réseaux métropolitains sans fil dans les bandes de fréquences libres.juil-03
IEEE 802.16d (IEEE std 802.16-2004)Révision intégrant les standards 802.16, 802.16a et 802.16c.1er octobre 2004 Actif
IEEE std 802.16e Possibilité d'utilisation de réseaux métropolitains sans fil avec des clients mobiles.2006
IEEE std 802.16f Possibilité d'utilisation de réseaux sans fil maillés (mesh network).2005
40USTL/INRIA/CNRS
RNIS
41USTL/INRIA/CNRS
RNIS
RNIS = Réseau Numérique à Intégration de ServicesOu ISDN pour Integrated Services Digital Network
Accès de l'abonné au réseau téléphonique via un accès numérique
Accès numériséTransmission numérisée
Conçu pour associer la voix, les données, la vidéo et tout autre application ou service.
Les réseaux RNIS bande de base fournissent des services àfaible débit : de 64Kbps à 2Mbps.
L'actuelle technologie ATM dédiée au réseaux grandes distances (WAN) faisait à l'origine partie des définitions RNIS sous la dénomination RNIS large bande pour les services àhaut débit : de 10Mbps à 622Mbps.
42USTL/INRIA/CNRS
RNIS
RNIS combine la large couverture géographique d'un réseau téléphoniquela capacité de transport d'un réseau de données supportant simultanément la voix, les données et la vidéo.
En France, les connexions RNIS sont disponibles sous la dénomination commerciale Numéris®.
Le réseau national de télécommunication a été entièrement numérisé.Les protocoles d'accès implantés par France Télécom™ sont conformes au standard Euro-ISDN publié par l'ETSI7 et l'ITU8.
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43USTL/INRIA/CNRS
RNIS
Multiplexage des canaux :
44USTL/INRIA/CNRS
Architecture
45USTL/INRIA/CNRS
Couche 2 - Canal B
3 modes de connexion : Commutation de circuits
Le circuit est établi, maintenu et libéré en utilisant la signalisation du canal D. Les données utilisateur sont échangées sur les canaux B avec les protocoles utilisateur.
Mode semi-permanentLe circuit est établi entre les utilisateurs et le réseau pour une durée délimitée ou non. Une fois le circuit établi, le canal D n'est plus nécessaire pour la signalisation.
Commutation de paquetsUne connexion en mode commutation de circuits doit être établie entre l'abonné RNIS et un nœud du réseau à commutation de paquets sur le canal B. Cette connexion en mode commutation de circuits implique l'utilisation de la signalisation du canal D. Le réseau à commutation de paquets peut être partiellement RNIS. RNIS peut fournir un service de commutation de paquets sur les canaux B (protocole X.31a).
46USTL/INRIA/CNRS
Couche 2 - Canal D
3 types de services sur le canal D : signalisation, commutation de paquets,télémétrie.
Ces services sont tous intégrés dans le même protocole de niveau 2 appelé LAP-D.
LAP-D proche de la normalisation X25.2 :trames HDLCnormalisé par l'ITU : spécifications Q.920 et Q.921. principale différence réside dans l'adressage
L'adressage LAP-D permet de gérer les liaisons multipoints : plusieurs services pour une même interface ou diffusion d'un message vers toutes les interfaces.
La taille maximale de trame est limitée à 260 octets.
47USTL/INRIA/CNRS
Appel
48USTL/INRIA/CNRS
Fin de communication
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49USTL/INRIA/CNRS
Les technologies xDSL
50USTL/INRIA/CNRS
xDSL
Le sigle xDSL regroupe plusieurs variantes de techniques de transmissions hauts débits (ADSL, HDSL, SDSL, VDSL, etc).
Ces techniques utilisent la ligne téléphonique.
Une paire de cuivre offre une bande passante de 1Mhz, or seulement 4khz sont utilisés pour la transmission de la voix.
Les technologies xDSL exploitent cette bande passante supplémentaire pour créer ainsi deux voies de communications.
Les versions des technologies xDSL diffèrent par le nombre de paires téléphoniques utilisés (1 ou 2)le choix des fréquences porteuses le type de modulation utilisé.
51USTL/INRIA/CNRS
xDSL (2)
Les technologies xDSL reposent sur le concept de « super modems»modulateurs-démodulateurs à très hautes performances, placés aux extrémités d’une ligne en paires torsadés pour réaliser une ligne d’abonné numérique.
Dans la chaîne qui relie l’internaute, le point faible se situe sur la partie reliant le modem du particulier au central téléphonique :
Jonction constituée de fils de cuivreLa voix n’utilise qu’une bande passante de l’ordre 3.3 kHz.
La modification des modems permet d'optimiser l'utilisation de ces lignes
les paires de cuivre peuvent supporter des débits allant de 1.5 Mbits/s à 10 Mbits/s suivant la distance et donc capables de transporter de la vidéo.
52USTL/INRIA/CNRS
xDSL (3)
Ainsi, xDSL = optimisation de la boucle locale.*
Ne pas négliger l’effet de la distance à parcourirTechniques de modulation poussée trop risquées sur de longues distances28Mb/s pour 1km3Mb/s pour 5km
Les services diffèrent en fonction du lieu de l’abonné.
53USTL/INRIA/CNRS
xDSL - architecture
54USTL/INRIA/CNRS
Les différentes techniques
ADSL : Asymetric DSLLa plus répandue2 canaux destinés aux données avec un débit max variable selon le code en ligne et la distance
Conservation de la bande passante pour la téléphonieFlux important >>> flux descendant
HDSL : High bit-rate DSLFull duplexExploite 2 ou 3 paires téléphoniques
SDSL : Symetric DSL
VDSL : Very High Bit Rate DSL
RADSL : Rate Adaptative DSL
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55USTL/INRIA/CNRS
Les différentes techniques (2)
ADSL : Asymetric DSL
HSL : High bit-rate DSL
SDSL : Symetric DSLVersion monoligne de HDSL
VDSL : Very High Bit Rate DSLDésignation commune à toutes les déclinaisons DSL offrant un débit réseau vers abonnés de 13Mb/s à 51Mb/s
AsymétriqueEn cours de développement
RADSL : Rate Adaptative DSLExtension de la variante ADSLAdapte le débit du modem à des vitesses de replis lorsque la transmission se dégrade 56USTL/INRIA/CNRS
Les technologies xDSLADSL
57USTL/INRIA/CNRS
ADSL - historique
Né d'un besoin d'avoir une technologie permettant le transport de données de n’importe quel type, à haut débit et qui est un coût raisonnable.
Solution de l’ADSL préférée à celle de la fibre optique malgré de moins bonnes caractéristiques, car la mise en place est beaucoup moins coûteuse pour l’ADSL sachant qu’elle utilise les paires cuivrées du téléphone déjà en place.
Dates importantes : 1987 naissance de l'ADSL dans les laboratoires américains de BellCore 1994 - 1999 expérimentation par France Telecom 1996 expérimentation de la télévision numérique par l'ADSL1999 première commercialisation
58USTL/INRIA/CNRS
ADSL
ADSL : Asymetric DSL
Utilisation de 3 canaux
59USTL/INRIA/CNRS
ADSL
Utilisation de 3 canaux
60USTL/INRIA/CNRS
Codage
CodagesDMT : Discrete Multi ToneCAP : Carrierless Amplitude Phase
Ces 2 techniques utilisent la modulation QAM mais diffèrent dans la façon de l’appliquer.
16 bits transportés à chaque signal
DMT256 canaux de 4,3 kHz (1 canal par symbole)Un canal permet la transmission de 15 bits par hertz17 canaux pour les données montantes 225 canaux pour les données descendantes
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61USTL/INRIA/CNRS
Codage (2)
Modulation DMT :
62USTL/INRIA/CNRS
Codage (3)
Modulation CAP :Développée par une entreprise américaine AT&T Permettant de coder jusqu'à 9 bits par symbole. On peut ainsi transmettre la même quantité d'informations sur une bande de fréquence réduite, d'où une diminution de l'atténuation et une distance maximale plus grande. Proche de la QAM
En diffère en ce qu'elle écrit en mémoire certaines parties du signal modulant avant de les réassembler sur le signal modulé. La porteuse n'est pas transmise, puisqu'elle ne contient aucune information d'ou l’ appellation carrierless.
Solution propriétaire peu développée
63USTL/INRIA/CNRS
Séparation des canaux
Les modems ADSL créént des canaux multiples en divisant la largeur de bande disponible suivant deux types :
FDM (Frequence Division Multiplexing) annulation d’échos
FDM assigne Une bande pour les données descendantes Une bande pour les données ascendantes
64USTL/INRIA/CNRS
Séparation des canaux (2)
L’annulation d’écho:Utilisation toute la bande passante réservée aux données. Comme la station émettrice sait ce qu’elle envoie, elle fait la différence avec le signal reçu pour reconstituer le signal envoyé.
65USTL/INRIA/CNRS
Équipement
Côté abonné :
Modem ADSL
Filtre ou splitter
Un filtre passe-bas permettant de ne garder que la bande de fréquence de 0 à 4.3 KHz.
Un filtre passe-haut ne gardant uniquement que les fréquences plus hautes.
66USTL/INRIA/CNRS
Équipement (2)Côté opérateur :
DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) relié aux clients ADSL via la paire de cuivre. récupère les flux « voix » et « Internet »
flux voix aiguillé vers le RTC flux Internet vers le BAS en empruntant le réseau de collecte ATM
Brasseur ATMassure la diffusion des données transitant sur le réseau de collecte ATM
BAS (Broadband Access Server) assure la liaison vers les FAI au travers du réseau de collecte IP.Répartit le flux Internet sur le réseau ATM en direction des DSLAMAssure le lien avec le PAS pour l'authentification et la facturation.
PAS (Plate-forme d’Accès aux Services)Permet l’identification et la facturation.
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67USTL/INRIA/CNRS
Cheminement
68USTL/INRIA/CNRS
Protocoles
69USTL/INRIA/CNRS
Connexion
Etape 1 : L'abonné saisit son idéntifiant et mot de passe donnés par son FAI. Ses informations transitent alors jusqu'au BAS. Etape 2 : Le BAS envoie les données vers le PAS pour demander l'identification de l'abonné.
70USTL/INRIA/CNRS
Connexion (2)
Etape 3 : Le PAS fais alors suivre cette demande vers les serveurs Radius du FAI concerné. Etape 4 : Le FAI renvoie alors une autorisation au PAS, positive ou négative. Etape 5 : A son tour le PAS renvoie cette autorisation au BAS, en y ajoutant le contexte de l'abonné (débit de la connexion, temps de connexion...)
71USTL/INRIA/CNRS
Connexion (3)
Etape 6 : Le BAS transmet alors les données vers le réseau du FAI, au travers du réseau backbone de collecte IP. Une fois atteint, il établi un tunnel L2TP. Ce dernier permet d'assurer la continuité de la liaison point à point entre l'abonné et son FAI. Etape 7 : Une fois dans le réseau du FAI, une demande d'authentification est alors envoyée vers les serveurs radius du provider en question. Ceci pour vérifier si l'identifiant est bien connu.
72USTL/INRIA/CNRS
Connexion (4)
Etape 8 : L'autorisation est accordée ou non, avec en plus le rajout d'une adresse IP qui est propre à l'abonné. Etape 9 : Au final la connexion PPP est établie entre l'abonnéet le fournisseur d'accès. Il peut à présent envoyer et recevoir des données.
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73USTL/INRIA/CNRS
La téléphonie mobile – les réseaux cellulaires
74USTL/INRIA/CNRS
Historique
1956 : premier réseau commercial mobile en FranceVolumineux Gourmand en énergieNécessite une très grand énergie
téléphone de voiture
Réseau manuel avec opératriceUn seul couple d’abonnés peut communiquer en même temps. Fonctionne dans la bande des 150MHz
Portée limitéeCoût élevéComplexité d’utilisationArrêté en 1973 en comptant 500 abonnés
75USTL/INRIA/CNRS
Historique (2)
De 1973 à 1986 : réseau de correspondance publique Évolution lentePlusieurs abonnés peuvent téléphoner en même temps. (apparitions de canaux simultanés)
Dans les années 1980, la France accuse un retard important dans la téléphonie mobile. Le seul réseau en place :
Ne permet qu’un nombre limité d’utilisateurs. N’est disponible que dans les grandes agglomérationsUtilise des terminaux trop volumineux pour être facilement portables.
Le ministère lance Radiocom 2000Le réseau de correspondance publique fonctionnera jusqu’à la fin des années 1980.
76USTL/INRIA/CNRS
Historique (3)
1986 : RadioCom 2000Bande de fréquence des 400MHzUtilise la technologie numérique pour la signalisation et la modulation analogique pour la voix. Fréquences attribuées dynamiquement en fonction des besoins.Première notion de téléphone cellulaire
Les fréquences sont attribuées au sein d’une cellule.Apparition du hand Over
Couvre la totalité du territoireBatterie rechargeable au Nickel CadmiumAntenne plus petiteTerminal toujours volumineuxTrès cher (appareil + abonnement)
77USTL/INRIA/CNRS
Historique (4)
1982 : lancement d’études d’un système de telécommunication sans fil universel par un consortium d’opérateurs européens1987 : Groupe Spécial Mobile
Cahier des chargesTerminaux compatibles quel que soit le pays, reconnus par une carte SIMTransmission numérique pour la signalisation et la voixTerminal de petite taille
1989 : Appel d’offre lancé pour déréguler le marché et compléter RadioCom
Réponse avec le standard NMT-FTechnologie similiaire à RadioCom
1991: lancement du service commercial GSM
78USTL/INRIA/CNRS
Les générations
1G Radiocom 2000 Bibop Radiocom 2000 France Telecom
2G GSM Global System for Mobile Communicatio
2.5G GPRS General Packet Radio Service
2.75G EDGE Enhanced Data Rate for GSM Evolution
3G UMTS Universal Mobile Telecommunications Sys
3.5G HSDPA High Speed Downlink Packet Access
4G OFDM WimaxOrthogonal Frequency Division Multiplex
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79USTL/INRIA/CNRS
Les différents types d’accès au canal
FDMA : Frequency Division Multiple AccessDécoupage de la bande de fréquences en plusieurs porteuses☺ simplicité, proche du modèle analogique
faible utilisation spectrale, interférences élevées
TDMA : Time Division Multiple Access
FTDMA : Frequency and Time Division Multiple Access
CDMA : Code Division Multiple Access
80USTL/INRIA/CNRS
Les différents types d’accès au canal
FDMA : Frequency Division Multiple Access
TDMA : Time Division Multiple AccessUne seule porteuse, simplifie la radio fréquence
Nécessite une synchronisation temporelle fineétalement temporel, délais
FTDMA : Frequency and Time Division Multiple Access
CDMA : Code Division Multiple Access
81USTL/INRIA/CNRS
Les différents types d’accès au canal
FDMA : Frequency Division Multiple Access
TDMA : Time Division Multiple Access
FTDMA : Frequency and Time Division Multiple AccessLa bande de fréquence est découpée en plusieurs porteuses.Chaque porteuse est découpée dans le temps.Principe du GSM.
CDMA : Code Division Multiple Access
82USTL/INRIA/CNRS
Les différents types d’accès au canal
FDMA : Frequency Division Multiple Access
TDMA : Time Division Multiple Access
FTDMA : Frequency and Time Division Multiple Access
CDMA : Code Division Multiple AccessUtilisation de codes orthogonaux
83USTL/INRIA/CNRS
Les différents types d’accès au canal
Système cellulaireAnnée d'introductionType de transmissionTechnique d'accès au canalBande de fréquenceGénération
RadioCom / NMT-900 1,99E+03 Analog FDMA 12.5kHz First
bal System for Mobile (GSM)1,99E+03 Digital TDMA 200kHz Second
e Tele-communications System (UMTS)>2000 Digital CDMA/ TDMA - Third
84USTL/INRIA/CNRS
Forme des cellules
couverture d'une surface 2DPavage du plan
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85USTL/INRIA/CNRS
Forme des cellules (2)
Pourquoi des hexagones réguliers ?
Pour simplifier !Plus proche du cercleMaximise la couverture du plan
86USTL/INRIA/CNRS
Réseaux cellulaires
Equidistance distance inter-cellules
En réalité : cellules déforméesTopographie (3D) : Bâtiments, collines, ...Propagation irrégulière : Conditions atmosphériques changeantes, électromagnétisme variablesLimitations pratiques : Positionnement des antennes
87USTL/INRIA/CNRS
Organisation des cellules
Capacité cellulaire
Système avec S canaux
Les canaux sont alloués à un cluster de N cellules, k canaux par cellule.
Un motif utilise les S=kN canaux.
Le motif est répété M fois.
Capacité du réseau : C = MkN
88USTL/INRIA/CNRS
Organisation des cellules
89USTL/INRIA/CNRS
Interférences co-canal
Comment placer deux cellules qui ont la même fréquence ?de façon régulière optimale,
Minimisant les interférences.
On s’inspire de la théorie des graphes et de la coloration de graphe. Un graphe est un ensemble de nœuds et d’arêtes reliant ces nœuds. Dans notre cas, chaque nœud représente une cellule GSM, et les arêtes correspondent à une contrainte de non interférence.Le coloriage de graphe consiste à colorier les sommets du graphe avec un minimum de couleurs, sous la contrainte que 2 sommets voisins ne soient jamais de la même couleur.
90USTL/INRIA/CNRS
Interférences co-canal (2)
Distance co-canal D = i+j
N = i²+j²+ij
Si R est la taille de lacellule, et Q le facteur de réutilisation :Q = D/R = √(3N)
Les cellules jaunes sont les6 voisines co-canal de la cellule rose.
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91USTL/INRIA/CNRS
Interférences co-canal (3)
Taille des clusters en fonction de i et j
i j 1 2 3 4
1 3 7 13 21
2 7 12 19 28
3 13 19 27 37
4 21 28 37 48
92USTL/INRIA/CNRS
La téléphonie mobile – les réseaux cellulairesLe GSM
93USTL/INRIA/CNRS
Architecture GSM
Architecture hiérarchique
Standardisée
Sous-système radio BSS (Base Station Sub-System)
Sous-système d’acheminement ou réseau fixeNSS (Network Sub-System)
Sous-système d’exploitation et de maintenanceOSS (Operation Sub-System)
94USTL/INRIA/CNRS
Architecture GSM (2)
95USTL/INRIA/CNRS
Architecture GSM -composants
BSSBTS : Base Transceiver Station
Émetteur récepteurBSC : Base Station Controller
Contrôle un ensemble de BTS
NSSMSC : Mobile Services Switching Center
Commutateurs mobilesVLR : Visitor Location Register
HLR : Home Location RegisterBases de données de localisation et de caractérisation des abonnés
EIR : Equipement Identity Register Base de données des équipements terminaux
AUC : Authentication CenterBase des utilisateurs
96USTL/INRIA/CNRS
BTS
Constituée de un à plusieurs émetteurs – récepteurs (TRX).
Modulation/démodulation
Égalisation, codage, correction d’erreurs
Mesures radio transmises au BSC
1 TRX = 1 porteuse = 7 communications
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97USTL/INRIA/CNRS
BSC
Partie intelligente du BSS
Gestion des ressources radioAllocation de fréquencesContrôle de puissance mobile/BTSDécision et exécution des handoversReçoit les mesures des BTS
Commutateurs
98USTL/INRIA/CNRS
HLR
Mémorise les caractéristiques d’un abonnéDonnées statiques
Identification internationaleNuméro d’abonnéProfil d’abonnement
Données dynamiquesLocalisation (Mémorise le VLR où l’abonné est connecté, y compris à l’étranger)État du terminal …
99USTL/INRIA/CNRS
VLR
VLR = Visitor Location Register
base de données locale
En général, un VLR par commutateur MSC
Contient les informations relatives aux abonnés présents dans la Location Area (LA) associée
Même info que dans HLR + identité temporaire (TMSI) + localisation
mis à jour à chaque changement de cellule d’un abonné
100USTL/INRIA/CNRS
MSC
MSC = Mobile Switching Center
Commutateur numérique en mode circuit du service mobile
Oriente les signaux vers les BSC
Établit la communication en s’appuyant sur les BD
Gestion des handovers entre BSC
Gestion du VLR
Passerelle avec les RTC
101USTL/INRIA/CNRS
OSS
Contrôle de performances
Administration commerciale
Gestion de la sécurité
Maintenance
EIRBase de données des terminauxContrôle de l’homologationDéclaration de vol
102USTL/INRIA/CNRS
AUC
AUC AUthentification Center
Contrôle l’identité des abonnés et assure les fonctions de cryptage
Authentification de l’abonné:Subscriber Identity Module (carte SIM) contient plusieurs clés secrètes
Cryptage des données au niveau du terminal
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103USTL/INRIA/CNRS
EIR
EIR = Equipment Identity Register
Empêche l’accès au réseau aux terminaux non autorisés (terminaux volés)
A chaque terminal correspond un numéro d’identification: le IMEI (International Mobile Equipment Identity)
A chaque appel, le MSC contacte le EIR et vérifie la validitédu IMEI
104USTL/INRIA/CNRS
Couches protocolaires
Dans un réseau fixe, les mêmes couches de protocoles se trouvent dans le terminal ET l’équipement d’accès au réseau (commutateur).
Dans le GSM, la station mobile se connecte à la BTS pour accéder au réseau mais, l’accès est répartit entre
La BTSLe BSCLe MSC
Toutes les couches sont sur le mobile.
Côté réseau, les couches sont réparties entre les équipements.
105USTL/INRIA/CNRS
Couches protocolaires (2)
Couche 1 : traite tous les aspects de la
transmission radio
Couche 2 : fiabilise la transmission
Couche 3 : RR : Radio Ressource – gestion de
la ressource radio
106USTL/INRIA/CNRS
Couche 3: MM : Mobility Management – rendre
transparent l’itinérance àl’abonné – fonction ne pouvant être prise en
compte que sur la partie fixe du réseau.
Couches protocolaires (2)
Couche 3 : CM : Connection
Management
107USTL/INRIA/CNRS
Interfaces
108USTL/INRIA/CNRS
Les sous-couches réseau sur la Radio
3 sous-couchesRR : Radio Ressource MM : Mobility ManagementCM Connexion Management
Pas d’encapsulationUn message CM traverse les couches MM et RR sans ajout d’entêtes)
Format des messages commun au trois sous couches.
19
109USTL/INRIA/CNRS
RR
Gestion de la connexion radio entre le mobile et le BSC.
Etablissement d’un canal dédié.
Rétablissement du canal lors d’un changement de cellule (handover).
Une seule connexion RR active à la fois.
110USTL/INRIA/CNRS
MM
3 rôles différents:Gestion de la mobilité
Génère des échanges entre le mobile et le réseau (MAJ localisation)
Gestion de la sécuritéEchange de messages particuliers lors de la plupart des demandes de services
Gestion des connexions MM
Connexions MMPermet à la couche CM de faire abstraction des problèmes liés à l’itinérance et à la radioÉtablie sur demande implicite de la sous couche CM (envoi d’appel ou de SMS) via le premier message CM envoyé
111USTL/INRIA/CNRS
CM
Gestion des appels usagers
Acheminements et établissement des appels d’un abonné
Interaction avec le protocole MAP gérant les dialogues avec le NSS.
112USTL/INRIA/CNRS
La numérotation
Il existe un grand nombre de numéros lors d’un appel.MSRN
identité extérieure invariante de l’abonné (numéro d’appel)IMSI
identité intérieure invariante de l’abonnéTMSI (Temporary Mobile Station Identity)
Identifie la liaison Mobile-BTS sur un MSCZone gérée par un VLRNon connue du HLRTaille réduite (4 octets)Changement de VLR changement de TMSI
MSRN (Mobile Station Roaming Number)Routage du G-MSC vers le MSC courantAttribué par le VLRNuméro de téléphone classique
113USTL/INRIA/CNRS
La numérotation (2)
114USTL/INRIA/CNRS
Réseaux cellulaires : Connexion
Mise sous tensionSelection d'un canal de contrôle (le plus fort)Handshake : identification du mobile
Appel demandéTransmission de la demande au centre de commutation (MTSO) du cluster
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115USTL/INRIA/CNRS
Réseaux cellulaires : Connexion
Recherche du destinataireLocalement (diffusion sur le cluster) ou non
Acceptation d'appelCréation d'un circuit entre les cellules concernéesSélection des canaux de trafic disponibles
116USTL/INRIA/CNRS
Réseaux cellulaires : Connexion
CommunicationBla bla bla
117USTL/INRIA/CNRS
Transfert de celluleQuid de la mobilité ?
Handover : changement de BTS, de BSC ou de MSCMise à jour localisation (VLR, HLR)
Roaming : changement de réseaux
Quand faut-il changer de BTS ?Faiblesse du signal / batterieSurcharge du BTSPriorité à un mobile en-ligne plutôt que hors-ligne 118USTL/INRIA/CNRS
Transfert de cellule (2)Fonctions du hand-over
permettre aux usagers de se déplacer en cours d’appel
éviter la rupture du lien (rescue handover)
minimiser les interférences (global et par rapport à un lien)
optimiser l’utilisation des ressources radio
équilibrer la charge de trafic entre les cellules
baisser la consommation d’énergie des mobiles
119USTL/INRIA/CNRS
Transfert de cellule (3)
120USTL/INRIA/CNRS
Transfert de cellule (4)Micro-mobilité :
Objectif : maintenir une qualité de communication suffisante entre le mobile et le réseau à travers un changement de fréquence ou de cellule.
Handover inter-cellulaireMesures physiques montrent qu'il existe une meilleure cellule (conséquence de la mobilité)Équilibrage du trafic : transfert de cellules vers des cellules voisines (directed retry)
Handover intra-cellulaireLorsque la dégradation du signal est due aux interférences et non pas à l'éloignement de la BTS.Ne modifie le circuit de parole qu'au niveau BTS et éventuellement BSC.
21
121USTL/INRIA/CNRS
Principes de basePendant la communication : mesure et évaluation périodique du lien radio.Si situation anormale : alarme BSC MSC
MSC identifie une cellule cible et/ou un nouveau canal sur des critères de trafic :
Si ok : handover déclenchéSinon : la communication continue sur le même canal et des handovers sont périodiquement tentés.
Après handover, l’ancien canal est libéré3 types de handovers
Soft : canal libéré après le changement de cellules (CDMA)Seamless : canal libéré pendant le changement de cellules (DECT)Hard :canal libéré avant le changement de cellules (GSM)
Il existe des handovers sur demande explicite du MSC (sur-charge BSC)
122USTL/INRIA/CNRS
Caractéristiques générales
123USTL/INRIA/CNRS
Caractéristiques générales (2)Partage FTDMA
Largeur totale de 25MHz, Ctheo = 50 Mb/s124 canaux fréquentiels de 200kHzTrames de 8 slots de temps
Partage en temps (TDMA) La durée élémentaire d’un slot vaut environ 0.5769 msUn slot accueille un élément de signal radioélectrique appelé burst. Chaque usager utilise un slot par trame TDMA. Les slots sont numérotés par un indice TN qui varie de 0 à 7.
Les concepteurs de GSM ont prévu la possibilité de n’allouer àun utilisateur qu’un slot toutes les 2 trames TDMA.
1 paquet voix = 456bits
124USTL/INRIA/CNRS
Tramage
Format d’un burst
125USTL/INRIA/CNRS
TramageTramage hiérarchique
Réservation du slot 0 pour 1 fréquence de chaque base pour la voie balise
126USTL/INRIA/CNRS
Saut de fréquences
Saut de fréquencesPour limiter les évanouissements sélectifs, c’est-à-dire une diminution momentanée de la puissance de l’onde radioélectrique lors de la réception, grâce à la diversité en fréquencesActivé lorsque la charge du réseau devient importante
22
127USTL/INRIA/CNRS
GSM et le transfert de données
GSM ≡ réseau à commutation de circuits
Piètre gestion des ressources radio :
⎝ ligne monopolisée dans tout le réseau pour un trafic de
données de nature très sporadique
Coût des communications :
⎝ tarif fonction de la durée, pas de la quantité de données
⎝ HSCSD : payer tous les canaux utilisés ?!
Infrastructure lourde, peu flexible
GSM non adapté au transfert de données128USTL/INRIA/CNRS
La téléphonie mobile – les réseaux cellulairesLe GPRS
129USTL/INRIA/CNRS
GPRS
GPRS : General Packet Radio Service
Pas un réseau à part entière, juste une couche du GSM
Données en mode non connecté, par paquets
Objectif: accès mobile aux réseaux IP
Repose sur la transmission en mode paquet. principe retenu par exemple pour le protocole X.25, permet d'affecter à d'autres communications les "temps morts" d'une première communication (attente d'une réponse à une requête Internet par exemple). Conçu pour réutiliser au maximum les infrastructures GSM existantes, le déploiement du GPRS nécessite la mise en place d'une infrastructure réseau basée sur la commutation de paquets et l'introduction de passerelles pour s'adosser aux réseaux GSM existants.
130USTL/INRIA/CNRS
GPRS (2)
Débits par utilisateur jusqu'à 115 kb/s (contre 9,6 kb/S pour le GSM)
Fonctionnalités intéressantes : plusieurs canaux peuvent être alloués à un utilisateur ; ces mêmes utilisateurs peuvent partager un même canal ; le débit est indépendant des liens montant et descendant.
ServicesAccès internetAccès aux emails avec pièces jointes plus rapidementApplications professionnelles de transfert de données et de sécurité (norme GPRS présente dans les horodateurs et ascenseurs pour la télésurveillance, etc)
Mêmes bandes de fréquences que le GSM
131USTL/INRIA/CNRS
Avantages du GPRS
Débit théorique 160 kbit/s
En pratique plutôt 30 kbit/s
Facturation à la donnée
Connexion permanente possible
132USTL/INRIA/CNRS
Architecture GPRS
23
133USTL/INRIA/CNRS
Etat du marché en 2002
Etat du marché en 20023,7 millions d’abonnés GPRS en Europe (300 millions pour le GSM)Taux de pénétration: 1,2% (GSM 60 %)Revenu par utilisateur: 4€ (Voix 33€)
Manque de succès commercialPas d’applications décisives pour le grand publicRéseaux GSM déjà saturésStratégie marketing souvent floue
134USTL/INRIA/CNRS
La téléphonie mobile – les réseaux cellulairesL’UMTS
135USTL/INRIA/CNRS
UMTS
UMTS : Universal Mobile Telecommunications System
Codage CDMA
Se combine aux réseaux déjà existants. GSM = voixGPRS = data UMTS = Multimédia.
Nécessité d’achat de licence
Modifications majeures sinon totales des éléments de base du réseau (station / antenne)
coûts importants
136USTL/INRIA/CNRS
UMTS (2)
Apport de nouveaux services
Fonctionne en mode paquets.
Vitesse de transmission jusqu’à 2 Mb/s.
Permet l'élargissement des fréquences ainsi que la modification du codage des données.
Sur le plan technique, les architectures des trois réseaux GSM, GPRS et UMTS sont complémentaires et interconnectées afin d'optimiser la qualité de service rendue à l'abonné.
137USTL/INRIA/CNRS
Architecture UMTS
138USTL/INRIA/CNRS
Débits
Temps moyen pour envoyer un courrier électronique avec un document attaché de 10 pages :
* Dans les conditions optimales
Norme Débit Temps nécessaire
GSM actuel 9,6 kbit/s 7 min.
Modems classiques (V90) 57,6 kbit/s 70 sec.
RNIS 128 kbit/s 31 sec.
GPRS 144 bit/s * 28 sec.
EDGE 384 kbit/s * 10 sec.
UMTS 2 Mbit/s 2 sec.
