Architecture du réseau d’accès radio, ses protocoles et le principe du WCDMA/UMTS

Services des réseaux cellulaires

Les services du GSM

Au début, le GSM a été utilisé presque exclusivement pour la communication vocale, mais l’EMS, le MMS, SMS et VBS sont devenus extrêmement populaires auprès des utilisateurs de GSM, plusieurs milliards de messages textes et la voix vocale sont échangés entre les utilisateurs mobiles chaque mois.
Les services voix ont dû être mises en œuvre par chaque opérateur dans la phase de démarrage (E1) en 1991. Dans cette catégorie, deux téléservices ont été distingués : le service téléphonique ordinaire (TS11) et le service d’urgence (TS12). Pour la transmission des signaux de parole codés numériquement, les deux services utilisent un lien bidirectionnel, symétrique, full-duplex, pointà-point, qui est mis en place sur demande de l’utilisateur. La seule différence entre TS11 et TS12 des téléservices est que le service régulier nécessite une IWF international, alors que le service d’urgence reste dans les limites d’un réseau national. La transmission de télécopie Comme un téléservice pour la deuxième phase d’exécution (E2), la mise en œuvre d’un service de fax transparent (TS61) pour fax du groupe 3 était prévu. Le service de télécopie est appelé transparent car il utilise un service de support transparent pour la transmission de données de télécopie. Le codage et la transmission des données de télécopie utilise le protocole de télécopie conformément à la recommandation IUT-T T30. L’opérateur du réseau a également la possibilité de mettre en œuvre TS61 sur un service de support non transparent afin d’améliorer la qualité de la transmission. TS61 est transmis sur un ca-30 nal de trafic qui est alternativement utilisés pour la voix ou par la télécopie.
Une autre option alternative est désignée comme un transfert de fax avec l’acceptation automatique d’appels (TS61). De cette manière, un téléservice spécifique peut être associé à chaque numéro MSISDN, le service de télécopie étant l’un d’eux. Si un abonné mobile est appelé sur son GSM numéro de fax, les ressources nécessaires à l’IWF du MSC et aussi dans la MS peuvent être activées. Dans le cas de TS61, les appels de télécopie arrivent avec le même nombre que les appels vocaux et doivent être commutés sur réception de fax manuellement.
L’un des services les plus importants dans les systèmes GSM d’aujourd’hui, en termes de popularité à côté de l’utilisateur, ainsi qu’en termes de génération de revenus au côté du fournisseur, est la capacité de recevoir ou d’envoyer des messages courts à l’invite MS : SMS, TS21 et TS22. Ces service ont été offert en 1996. TS21 est la version point-à-point du SMS, qui permet à une seule station d’envoyer un message de 160 caractères au maximum. A l’inverse, TS22 a été définie comme une mise en œuvre facultative de la capacité d’envoyer de courts messages à partir d’un MS. Les combinaisons de SMS avec d’autres services à valeur ajoutée, par exemple les systèmes de boîtes aux lettres avec notification automatique des nouveaux messages arrivés ou la transmission de messages courts des frais encourus, montrent clairement comment les services offerts par les réseaux GSM vont bien au-delà des services offerts dans les réseaux fixes. L’interface n’a pas été spécifiée et peut être par DTMF, sur commande spéciale, email, fax, etc. La livraison peut être décalée dans le temps et est, bien sûr, indépendante de l’emplacement actuel de la sclérose en plaques. La transmission de messages courts utilise une connexion, protégée, à commutation par paquet. La réception d’un message doit être acquitté par la sclérose en plaques ou le centre de service, en cas d’échec, la retransmission a lieu. Les téléservices peuvent être utilisés simultanément avec d’autres services, à savoir des messages courts peuvent aussi être reçus ou transmis lors d’un appel en cours. Une autre variante du SMS est la cellule de diffusion de services TS23, SMSCB. Les messages SMSCB sont diffusés dans une région limitée du réseau. Ils ne peuvent être reçus par les MS en mode veille, et la réception n’est pas reconnue.
L’EMS est une extension du SMS. Ce dernier est limité aux messages texte seulement. Cependant, comme les sonneries et les images gagnées beaucoup de popularité, l’EMS a été développé par les grands fabricants de GSM comme un standard ouvert de 3GPP. Il permet l’unicolore de photos avec 16 x 16 ou 32 x 32 pixels pour être envoyés et les images doivent être modifiés dans le combiné. La Séquence d’images peut comporter six images. La durée des tonalités peut être de 150, 225, 300 ou 450 ms et jusqu’à 80 notes peuvent être incluses dans un EMS.
La norme MMS qui est beaucoup plus riche prend le relais. Le MMS qui est similaire au SMS ou EMS a cependant la capacité beaucoup plus élevée en termes de taille et de flexibilité. La norme MMS a été développée par un consortium de partenaires de l’industrie et est devenue une norme de 3GPP[5]. Le MMS permet les opérations de messagerie avec une variété de types de supports. Le MMS permet d’envoyer et de recevoir des messages contenant un ensemble riche de contenu. Le MMS offre un service qui ne fonctionne pas en temps réel. Il offre également la possibilité d’interagir avec les autres systèmes de messagerie tels que l’Internet des systèmes de courrier électronique basé sur le protocole SMTP, POP, IMAP et les protocoles de transport, ainsi que des anciens systèmes de messagerie sans fil [1].
Le VBS permet à un utilisateur de diffuser un message vocal à plusieurs autres utilisateurs dans une certaine zone géographique. L’utilisateur qui lance l’appel ne peut envoyer (« speaker ») et tous les autres ne peuvent écouter («auditeurs»). Lesutilisateurs mobiles qui se sont intéressés à un certain groupe du VBS d’abonné et reçus des appels, puis la diffuser de ce groupe.
Une autorisation spéciale est nécessaire, cependant, pour avoir le droit d’envoyer des appels de diffusion, c’est à dire le droit d’agir en tant que conférencier. Les groupes souscrits VBS sont stockés sur la carte SIM de l’utilisateur, et si un abonné ne souhaite pas recevoir des appels VBS pendant un certain temps, ils peuvent les désactiver.

Les services du GPRS

Au cours des dix dernières années, il y a eu une croissance significative dans le marché des télécommunications mobiles et aussi dans le marché de l’Internet. Aujourd’hui, il y a environ trois milliard d’utilisateurs de téléphones mobiles et environ 900 millions d’utilisateurs de l’Internet. La prochaine étape évidente était donc de combiner ces deux marchés en forte croissance. Le protocole d’application sans fil (WAP) est le lien entre le développement des télécommunications mobiles et le développement des services Internet. L’augmentation des débits de données et l’utilisation efficace des ressources rendent le GPRS attrayant pour n’importe quelle application intensive de données mobiles, surtout si elle n’est pas sensible aux variations du retard et de l’ordre de livraison des paquets [23].
Le WAP est une étape importante dans la construction de l’Internet sans fil, où les gens sur la puce peuvent accéder à l’Internet via leurs appareils sans fil pour obtenir des informations telles que les e-mails, les actualités, les rapports sur les actions, les orientations carte et les résultats sportifs quand et où ils en ont besoin. Le WAP est considéré comme une étape importante dans l’évolution des réseaux GSM actuels vers un «Internet mobile». Au cours des dernières années, le WAP a été développé et standardisé par le WAP Forum.
Ce consortium industriel a été fondé en Décembre 1997 par quatre sociétés telles qu’Ericsson, Motorola, Nokia et Phone.com. Six mois plus tard, le Forum WAP a été ouvert à d’autres entreprises, et aujourd’hui, plus de 500 entreprises liées au marché des communications mobiles sont maintenant membres du Forum WAP [23]. La philosophie du WAP est de transférer le contenu d’Internet et d’autres services interactifs aux MS pour les rendre accessibles aux utilisateurs mobiles. A cet effet, le WAP définit l’architecture du système, une famille de protocole, et un environnement d’application pour la transmission et l’affichage des pages Web, comme pour les appareils mobiles.
La motivation pour le développement du WAP est basée sur les restrictions fondamentales posées par l’équipement mobile et les réseaux cellulaires parrapport aux PC fixes et les réseaux câblés.

Analyse critique des réseaux cellulaires

Le débit du GSM

Les débits supportés par le GSM sont de 300 points de base, à 600 pointsde base, 1200 bit/s, 2400 bit/s et 9600 bit/s. On peut imaginer dans ce nouveau millénaire que ces débits sont intolérablespour le pilier de la transmission de données. En fait, si quelqu’un venait à nous offrir l’accès à l’Internet à des vitesses allant jusqu’à 9600 bit/s, nous serions probablement devenu très désintéressées au service. Pourtant, du point de vue mobile, ces vitesses ont été considérées comme assez rapide.
L’amélioration de la phase II comprenait également un meilleur débit pour la transmission des données à l’aide d’un paquet synchrone dédié à l’accès aux données de fonctionnement de 2.4 à 9.6 kbit/s. La phase I est seulement acceptée à un accès asynchrone à un paquet dédié assembleur/désassembleur.
L’accès de données à travers un tampon dédié à l’entrée d’un réseau X.25 permet d’accéder à un degré plus élevé de transport de données fiables, permettant aussi de surmonter les problèmes de la couche de liaison à la couche radio. Les données sont maintenant disponibles sur le GSM de la phase II qui est à la fois envoyer et recevoir des vitesses allant jusqu’à 9.6 kbit/s [18].
Le service SMS a été très bien accepté au niveau de l’amélioration du débit, plus de 1 milliard de SMS sont envoyés par mois. Comme les choses ont évolué, la phase II de la norme GSM a apporté des améliorations. Dans la première phase, le codage de la voix à un débit plein a été utilisé pour un débit de 13 Kbit/s pour la conversation de la voix. Un peu plus tard, les vocodeurs de 6.5 kbit/s ont été introduits pour l’utilisation au choix d’un opérateur du réseau. Cela permet à l’opérateur du réseau d’offrir une bonne qualité de parole aux utilisateurs à deux fois plus nombreuses sans ressources radio supplémentaires. Essentiellement, on avait divisé le canal en deux, parce que les gens sont réellement emportés par le trafic seulement sur le canal de 25 à 30% du temps [18].

Le débit du GPRS

Ensuite, l’utilisation des réseaux à commutation par paquet aux réseaux cellulaires a encouragé les gens d’augmenter le débit par certaines modulations, d’avoir des nouvelles applications et services. C’est le cas du MMS qui est capable de transmettre des images, des mélodies et des séquences multimédia de types différents. Le MMS peut transmettre jusqu’à 100 kilo-octets de données et peut gérer AMR-parole codée, des images, la musique et même la vidéo. Le débit est limité à 21.4 kbit/s dans la pratique. Le tableau 1.5 indique les débits offerts par les différents schémas de codage (CS-i) et l’utilisation de la modulation binaire dans le système GPRS [1],[16] et [19].

Le débit d’EGPRS

L’EGPRS est une évolution directe du GPRS. L’EGPRS reprend les mêmes concepts et est basée exactement sur la même architecture que le GPRS. L’introduction de la technologie EGPRS n’a aucun impact sur le réseau de base GPRS. Les principales modifications sont liées à l’interface radio. Le concept EGPRS vise à permettre la transmission de données à des débits plus élevés que le GPRS. Fondamentalement, l’EGPRS s’appuie sur un schéma de nouvelles modulations et CSS pour l’interface air, ce quipermet d’optimiser le débit des données en ce qui concerne les conditionsde propagation radio. Neuf modulations et codage sont proposés pour les communications de données par paquets améliorées, en offrant des débits de données brutes RLC allant de 8.8 kbit/s jusqu’à 59.2 kbit/s. Les débits de données ci-dessus 17.6 kbit/s exigent que la modulation 8-PSK soit utilisée sur le lieu de l’air ordinaire de la modulation GMSK. Le tableau 1.7 présente les débits associés aux différents MCS. En plus des mêmes services que GPRS et EGPRS fournissent de nouveaux service en raison des débits plus élevés.
En outre, il propose deux fois la capacité d’un réseau GPRS. En effet, bien que le débit binaire de la modulation est augmenté par un facteur 3 avec la nouvelle modulation, il permet un débit maximal qui est trois fois plus élevée et la capacité du réseau n’est pas multiplié par 3 lorsque les conditions permettent au rapport porteuse sur interférence. En fonction de la position de MS, le codage de canal est plus ou moins nécessaire pour une transmission optimisée, conduisant à un débit moyen inférieur à celui du maximal.
EGPRS offre le meilleur rapport coût-efficacité des moyens de fournir des services de 3G dans le spectre existant. Il permet aux opérateurs d’offrir de nouveaux services de 3G en améliorant leurs infrastructures existantes de GSM/GPRS. Les modifications matérielles dans le réseau sont limités à l’ajout de nouveaux modules émetteurs-récepteurs de l’EDGE dans chaque cellule. Ces unités peuvent être ajoutées en complément des dispositifs existants qui ont déjà été déployés [1], [5] et [16]

Architecture du réseau d’accès radio, ses protocoles et le principe du WCDMA/UMTS

Architecture du réseau d’accès radio

Architecture du système

Ce paragraphe donne un large aperçu de l’architecture du réseau UMTS, y compris une introduction aux éléments de réseau et les interfaces logiques.
Le réseau UMTS utilise la même architecture qui a été utilisée par tous les principaux réseaux de 2G et même par certains réseaux de première génération. La liste de référence contient les spécifications relatives au 3GPP.
Le réseau UMTS est constitué d’un certain nombre d’éléments de réseau logiques qui ont chacun une fonction définie. Dans les normes, les éléments du réseau sont définis au niveau logique, mais bien souvent se traduisent par une mise en œuvre physique semblable, d’autant plus qu’il y a un certain nombre d’interfaces ouvertes.
Le fonctionnement des éléments du réseau sont regroupés dans le réseau d’accès radio qui gère toutes les fonctionnalités de radio-connexe, et le réseau de base, qui est responsable de la commutation et du routage des appels et des connexions de données à des réseaux externes. Pour compléter le système, l’équipement utilisateur qui assure l’interface avec l’utilisateur et l’interface radio est défini. L’architecture du système de haut niveau est illustrée à la figure 2.1. A partir d’un cahier des charges et le point de vue de la standardisation, à la fois UE et UTRAN comprennent complètement des nouveaux protocoles, dont la conception est basée sur les besoins de la nouvelle technologie radio WCDMA. Au contraire, la définition du CN est adoptée du GSM.
Ceci donne le système avec la nouvelle technologie radio d’une base globale de la technologie CN connue et robuste accélère et facilite sa mise en place, et permet de tels avantages concurrentiels que l’itinérance mondiale.
Un autre moyen de regrouper les éléments de réseau UMTS est de les diviser en sous-réseaux. Le système UMTS est modulaire en ce sens qu’il est possible d’avoir plusieurs éléments de réseau du même type. En principe, l’exigence minimale pour un réseau entièrement comporté et opérationnelle est d’avoir au moins un élément de réseau logique de chaque type.

Les protocoles de l’interface Iu

L’interface Iu connecte l’UTRAN au CN. Iu est une interface ouverte qui divise le système en radio-UTRAN et CN spécifique qui gère la commutation, le routage et le contrôle de service. L’interface Iu peut avoir deux principales instances différentes, qui sont au CS-Iu (Circuit Switched Iu) pour la connexion à commutation de circuits de l’UTRAN du CN, et PS-Iu (Packet Commutation Iu) pour le raccordement à l’UTRAN Packet Switched au CN. L’instance supplémentaire du tiers de l’Iu, la Colombie-Britannique Iu (Iu Broadcast), a été défini pour soutenir les services de diffusion cellulaire.
L’interface Iu-BC est utilisée pour connecter l’UTRAN au domaine de la diffusion du réseau de base. Le but de la conception originale de la normalisation est de développer une seule interface Iu, mais ensuite qui s’est rendu compte que le transport entièrement optimisé pour le plan de l’utilisateur de la CS et des services PS ne peut être atteint que si les technologies de transport différents sont permis. Par conséquent, le plan de contrôle réseau de transport est différent. L’une des principales lignes directrices de la conception a toujours été que le plan de contrôle doit être le même pour l’Iu-CS et l’Iu-PS, et les différences sont mineures.

Structure du protocole pour l’Iu-CS

La structure du protocole global pour l’Iu-CS est représenté dans la figure 2.6. Dans les trois plans de la part d’une interface Iu commune à l’ATM (Asynchronous Transfer Mode) de transport qui est utilisé pour tous les plans. La couche physique est l’interface avec le support physique.

Le Protocole de convergence de données par paquets

Le protocole de convergence de données par paquets (PDCP) [32] n’existe que dans le plan d’utilisateur et que pour les services du domaine PS. Le PPPC contient des méthodes de compression, qui sont nécessaires pour obtenir une meilleure efficacité spectrale pour des services nécessitant des paquets IP devant être transmis sur la radio. Pour les normes Release 99 de 3GPP, une méthode de compression d’en-tête est définie, pour lesquels plusieurs algorithmes de compression d’en-tête peuvent être utilisés [7].

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

L’OFDM applique le principe de la modulation à multiples porteuses (MCM) en divisant les flux de données en plusieurs flux de bits, dont chacune a un débit binaire plus faible, et l’utilisation de ces sous-flux module plusieurs transporteurs. Les premières applications de MCM étaient dans les radios de l’armée à la fin des années 1950 et au début des années 1960 [34]. Le principe OFDM a été breveté en 1970 [35]. La recherche de l’OFDM pour Digital Audio Broadcasting (DAB) a été lancée à la fin des années 1980, et les systèmes DAB commerciaux sont actuellement en cours d’introduction. Récemment,l’OFDM a été appliquée à HIPERLAN de type II et asynchrone dans les réseaux sans fil en mode de transfert (ATM) [36]. La recherche sur l’OFDM pour les applications cellulaires a été intensifiée au cours des années 1990. Tous les deux CDMA et TDMA-basé en OFDM ont été étudiés. Le MC-CDMA transmetteur propage le signal d’origine en utilisant un code d’étalement donné dans le domaine de fréquence. Il est crucial que les transmissions multiporteuses aient la fréquence fading non sélective sur chaque sous-porteuse [37]. La présentation de l’OFDM dans le cellulaire dans le monde a été motivée par deux avantages principaux :
– Flexibilité : chaque émetteur-récepteur a l’accès à tous les sous-porteuses au sein d’une couche de cellules ;
– Égalisation facile : symboles de l’OFDM sont plus longs que le délai maximum diffusé, d’où un canal à évanouissement plat qui peut être facilement égalisé.
Le principal inconvénient de l’OFDM est la puissance crête-à-moyenne élevée.
C’est particulièrement grave pour la station mobile et pour des applications longue portée. Les différentes techniques de codage ont été étudiées pour résoudre ce problème. En outre, la possibilité d’accéder à toutes les ressources au sein du système des résultats de bande passante dans un récepteur est également complexes pour tous les services, quel que soit le débit binaire.
Bien sûr, une partie FFT pour un seul bloc de l’OFDM est possible pour les services à faible débit binaire, mais ce serait exigé à un synthétiseur RF pour le saut de fréquence. Le tableau 2.4 indique les paramètres de l’interface air OFDM proposé par le Groupe gamma de l’ETSI.

Table des matières
Dédicaces 
Remerciements 
Table des Matières 
Table des figures 
Liste des tableaux 
Glossaire 
Résumé 
Introduction 
Liste de publications 
1 Présentation, services et analyse critique des réseaux cellulaires 
1.1 Présentation des réseaux cellulaires
1.1.1 Le GSM
1.1.2 Le GPRS
1.1.3 L’EDGE
1.1.4 L’UMTS
1.2 Services des réseaux cellulaires
1.2.1 Les services du GSM
1.2.2 Les services du GPRS
1.2.3 Les services de l’UMTS
1.3 Analyse critique des réseaux cellulaires .
1.3.1 Le débit du GSM
1.3.2 Le débit du GPRS
1.3.3 Le débit de l’EDGE
1.3.4 Le débit d’EGPRS
1.3.5 Le débit dans l’UMTS
1.3.6 Le débit de LTE-Advanced
1.4 La problématique du débit des réseaux cellulaires
2 Architecture du réseau d’accès radio, ses protocoles et le principe du WCDMA/UMTS
2.1 Architecture du réseau d’accès radio
2.1.1 Architecture du système
2.1.2 Architecture UTRAN
2.1.3 Modèle des Protocoles générales pour l’UTRAN dans les interfaces terrestres
2.1.4 Les protocoles de l’interface Iu
2.1.5 Améliorations de l’UTRAN
2.2 Les couches de l’accès radio
2.2.1 Canaux de transport et leur cartographie aux canaux physiques
2.3 Les protocoles de l’accès radio
2.3.1 Architecture des protocoles
2.3.2 Le Protocole de moyen de contrôle d’accès
2.3.3 Architecture de la couche RLC
2.3.4 Le Protocole de convergence de données par paquets
2.3.5 Le Broadcast/Multicast Control Protocol
2.3.6 Multimedia Broadcast Multicast Service
2.3.7 Le Protocole de contrôle de ressources radio
2.4 La technologie de WCDMA
2.4.1 Différences entre WCDMA et l’interfaces Air de la deuxième génération
2.4.2 WCDMA dans les systèmes de troisième génération
3 Principe de la modulation OFDM 
3.1 Principes de l’OFDM
3.1.1 Notions de base de l’OFDM
3.1.2 Modulation numérique
3.2 Système de performance avec Fréquence et calendrier des erreurs
3.2.1 Par le déplacement des fréquences
3.3 La transmission des signaux OFDM sur des canaux à large bande
3.3.1 Le modèle du canal
3.3.2 Annulation d’interférence Inter-sous-porteuse
3.4 Modèle du Système SDM-OFDM
3.4.1 Modèle du canal MIMO
3.4.2 Capacité du canal MIMO
4 Approche et contributions 105
4.1 La modulation et la diffusion
4.1.1 Scrambling
4.1.2 Codes de canalisation
4.1.3 Etalement et modulation dans la liaison montante
4.1.4 Etalement et modulation dans la liaison descendante
4.1.5 Caractéristiques de l’Emetteur
4.2 La transmission des données des utilisateurs
4.2.1 Le canal Dédié dans la liaison montante
4.2.2 Le multiplexage dans la liaison montante
4.2.3 Transmission des données utilisateur avec le canal d’accès aléatoire
4.2.4 Paquet du canal commun de la liaison montante
4.2.5 Le canal Dédié dans la liaison descendante
4.2.6 Le multiplexage dans la liaison descendante
5 Simulations et validations 
5.1 Le multiplexage des signaux OFDM
5.1.1 Multiplexage de signaux OFDM sans bruit
5.1.2 Multiplexage de signaux OFDM avec bruit
5.2 La transmission des signaux OFDM à un canal bruité sans multitrajet
5.3 La transmission des signaux OFDM à un canal multitrajet
5.3.1 La transmission des signaux OFDM à un canal parfait
5.3.2 La transmission des signaux OFDM à un canal bruité
5.4 La technologie WCDMA
5.5 Simulations et Validations des résultats
5.5.1 L’utilisation du multiplexage de signaux OFDM dans un réseau UMTS
5.5.2 Un canal de transmission à multitrajet à des signaux OFDM sans/avec bruit
Conclusion 
Bibliographie

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