Les réseaux mobiles et l’architecture du XG

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Tendance dans les services.

Les services mobiles sont divers. Parmi eux, on peut citer les éléments suivants :
Email.
Navigateur web : l’héritage du réseau 2G permet de naviguer sur despages HTML, mais avec une basse résolution graphique. Dans les réseaux 2.5G et le 3G, le standard JPEG est adopté et est communément utilisé avec le standardGIF. Les écrans TFT utilisés dans les terminaux 2.5G et 3G ont une résolution de 240 x 320 pixels avec 262 144 couleurs.
Le service de localisation : DoCoMo lança le service de navigation web pour la l ocalisation en 2001. C’est la première implémentation du servic de localisation. Le service fournit à l’utilisateur un large champ de contenu web pour une localisation spécifique.
Les applications Java : les utilisateurs peuvent télécharger et enregistre une variété d’applications dynamiques via les réseaux 2G et 3G. Les récents téléphones mobiles sont capables d’exécuter une large variété d’applications Java, et utilisent le protocole SSL pour une transmission sécurisée des informations.
Téléchargement des vidéosce: service 3G permet aux utilisateurs d’obtenir des contenus vidéo avec une vitesse allant jusqu’à 384 kbps.
Mail multimédia :le service de mail en image a eu un grand impact sur le marché japonais. Il est constitué typiquement par des images ou des vidéos personnelles.
Vidéo téléphonele: service de téléphone visuel est une applicationtypique du réseau 3G. Ce service utilise une connexion à commutation de paqu et avec un débit de 64 kbps. Cela est dû à la compatibilité avec la connexion N-ISDN.

Intérêts du système mobile XG.

En ce qui concerne la technologie d’accès sans fil du XG, Les points de vue divergent pour le Japon, les Etats Unis et l’Europe.
Au Japon, on se focalise sur le fait de pousser la technologie jusqu’à un réseau sans fil, à large bande extrême.
Aux Etats Unis, on se concentre sur le développement d’une couche physique et d’accès média. Ceci est destiné à améliorer les capacitésedl’IP et des protocoles du 3G actuel, à la couverture d’un large espace et à fournir des servi ces aux véhicules qui roulent à grande vitesse, que la norme 802.11 ne peut pas satisfaire.
En Europe, l’accent est mis sur le fait de maximiser la valeur du protocole d’accès sans fil du 3G existant, par exemple, en travaillant sur les technologies du GPRS et du 802.11.
Il faut éviter la confusion entre le XG et le 4G. Ce dernier sous-entend une amélioration de l’accès réseau sans fil. Le système XG inclus les ervices qui couvrent les réseaux, les logiciels de communication, les terminaux et une améliorationsur la sécurité.
Actuellement, il y a deux mondes qui existent, le monde du sans fil et le monde de l’Internet (initialement conçu pour les réseaux fixes). Dans le 2.5G et le 3G, ces deux mondes sont liés à travers des matériels réseaux (passerelles) qui fournissent des protocoles, des contrôles, et d’autres fonctions de transition nécessaires. Il existe une différence de bande passante entre l’Internet et les réseaux mobiles 2.5G et 3G, ce qui a pour conséquence une limitation des services disponibles sur le réseau sans fil. Le fossé entre la bande passante est dû à l’évolution centrée sur la voix des réseaux cellulaires sans fil et l’inexistence de spectre radio. Les passerelles sont requises puisqu’il n’existait pas encore une vraie convergence entre ces deux mondes. Ces deux contraintes emmenèrent une restriction ou une atténuation sur l’accès Internet sans fil, comme illustré sur la figure 1.2.
La passerelle relie le réseau mobile à Internet. Mais il y a un important inconvénient à l’utilisation de la passerelle avec les réseaux mobiles actuels. En effet, la passerelle est incapable de fournir une connectivité IP transparente. Les passerelles actuelles fournissent deux niveaux de connectivité : le niveau applicatif et le niveau detransport. Ce qui sépare l’Internet et le monde sans fil.
L’autre problème majeur avec la situation actuelle est la différence au niveau de la bande passante sur l’accès réseau, entre le réseau mobilet les réseaux fixe. En effet, le réseau sans fil ne peut supporter des applications multimédia qui nécessitent une très large bande passante.
La discussion a été centrée sur les deux problèmestechniques majeurs, à savoir l’écart de la bande passante et le modèle de passerelle centrale. Si l’on considère la perspective centrée sur les utilisateurs, la figure 1.3 résumera la situation actuelle. Quelques applications Internet type, comme l’email et le navigateur web, ont été réalisédans le réseau mobile 2.5G et 3G. Toutefois, les réseaux mobiles actuels ne peuvent pas fournir des applications P2P avec une connectivité transparente. Ni le 2.5G ni le 3G ne peut fournir des bandes passantes élevées pour les applications multimédia et la distribution en tempsréel d’une grande quantité de données.
Le réseau mobile XG sera le réseau qui supprimera’écartl entre le réseau sans fil et le monde de l’Internet en termes de connectivité. Il fournira alors un super ensemble des utilités de l’Internet pour les utilisateurs mobiles. Ainsi, nous pouvons le définir comme suit :
XG : Service de réseau mobile de l’Internet qui supprimera l’écart entre le monde sans fil et le monde de l’Internet, et combine les aspects positifs des deux mondes.

Les exigences de la nouvelle génération.

Les exigences du XG seront l’existence d’un RAN, un réseau IP, une plateforme de service de disponibilité, et des applications. La figure I.4 illustre brièvement l’architecture du système mobile XG et chaque composant est décrit en détaildans les sections qui suivent.

Le RAN (Radio Access Networks).

Les réseaux d’accès radio (RAN), divers et complémentaires, seront utilisés ensemble dans le XG. Les réseaux comme le 2.5G, le 3G et le 3G amélioré, utilisent par exemple la technologie HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access). La technologie OFCDM (Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing) est utilisée par le 4G et le WLAN. Il est à noter que le WLAN sera l’une des principales technologies pour les systèmes de communications XG.

Le backbone IP.

Dans cette section, le sujet principalest l’intégration, de manière transparente, de l’hétérogénéité du RAN. On considère également les deux fonctionnalités majeures du RAN, qui sont l’AAA (Authentication, Authorization, and Accounting) et la mobilité du support. L’implémentation de ces fonctionnalités doit satisfaire aux contraintes du temps réel requis par les applications mobiles. La partie I.3 donnera une explication exhaustive de l’architecture réseau du XG. Le chapitre 2 va traiter la mobilité et l’intégration.Le chapitre 3 sera adressé à l’Authentification, l’Autorisation et la Facturation.

La plateforme de service de disponibilité.

Le terme « plateforme de service de disponibilité »est utilisé pour couvrir le terminal et l’aspect des services des applications délivrées. Le terme énoted aussi un ensemble cohérent de concept caractéristique comme défini ci-dessous :
Hétérogénéité dans l’accès réseau sans fil, leseauxrés backbone, les terminaux mobiles et les applications ;
Ouverture vers les fournisseurs de service 3-tiers pour qu’ils puissent déployer et créer des services d’applications, comme les services web ;
Capacité offerte aux utilisateurs mobiles pour engager tous les types de transaction et services, avec un support de gestion des relations entre la confiance, la sécurité et les interfaces de supports d’ouverture.

L’architecture 3G : UMTS

Quand le système 3G a été initialement considéré,onsbut était de permettre un seul standard de communication global. On cherchait un système qui pouvait accomplir les besoins en communication n’importe où et n’importe quand. La v ision IMT (IMT-20001) de l’ITU présente un spectre commun mondial (bande de 1.8 – 2.2 GHz), supporte un environnement radio multiple (incluant les cellulaires, les satellites, les sans fils, et les LAN), un large champ des services de télécommunications (voix, données, multimédia et Internet), des porteurs radio flexible pour accroître l’efficacité du spectre, un taux de transfert qui peut aller au dessus de 2 Mbps dans la phase initiale, et une utilisation maximum des capacités de l’IN (Intelligent Network) pour les services d’approvisionnement et de développement. L’ITU envisage un roaming global transparent et un service de livraison au travers de la famille du réseau IMT-2000. Afin de fournir une couverture globale il prévoit également une amélioration de la sécurité et de la performance, en plus de l’intégration des systèmes satellitaires et terrestres. Quoique certains des objectifs techniques aient été atteints, le rêve d’une communication universelle et transparente reste insaisissable. L’horizon de la communication mobile est dominé par deux systèmes largement incompatibles.
Une réalisation de l’IMT-2000 est l’UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), développé sous le 3GPP. Ce système a évolué à partir du 2G (spécialement GSM) et a reçu des supports significatifs en Europe, au Japon et dans différentes régions de l’Asie.
La deuxième version de l’IMT-2000, qui est standardisée par le 3GPP2, est dénommée CDMA2000 ou le système 3GPP22. Ce système a évolué à partir du 2G (spécialementl’IS-95) et a été déployé aux Etats Unis, à la Corée duSud, en Bélarusse, en Roumanie, et dans quelques parties de la Russie, du Japon et de la Chine.
Ces deux systèmes sont similaires sous le terme fonctionnel, particulièrement du point de vue des utilisateurs. Toutefois, dans certains détails de leurs architectures, il existe des particularités qui les rendent largement incompatibles.

Infrastructure du réseau

Le réseau UMTS vient se combiner aux réseaux déjà xistantse.
Les réseaux existant GSM et GPRS apportent des fonctionnalités respectives de voix et de données ; tandis que le réseau UMTS apporte les fonctionnalités multimédia.
Il est important de noter deux éléments :
Le coût élevé de la mise en place d’un système UMTS(achat de licence + modification majeure, sinon totale, des éléments de base du réseau (station / antenne) répartis de manière massive sur un territoire national).
La difficulté à définir avec où le 3GPP et l’UMTS spécifications techniques. précision l’architecture d’un futur réseau UMTS, dans la mesure Forum travaillent encore à la définition des normes et des
La mise en place d’un réseau UMTS va permettre à un opérateur de compléter son offre existante par l’apport de nouveaux services, en mode paquet, complétant ainsi les réseaux GSM et GPRS.

Les équipements du réseau.

La mise en place du réseau UMTS, comme illustré surla figure 1.5, implique la mise en place de nouveaux éléments sur le réseau. Nous verrons ci-dessous les listes des ces équipements.

La Node B

La Node B est une antenne. Réparties géographiquement sur l’ensemble du territoire, les Node B sont au réseau UMTS ce que les BTS sont au réseau GSM. Les Node B gèrent la couche physique de l’interface radio. Les Node B régissent le codage du canal, l’entrelacement, l’adaptation du débit et l’étalement.
Les Node B communiquent directement avec le mobile, sous l’interface dénommée Uu.

Le RNC (Radio Network Controller).

Le RNC est un contrôleur de Node B. Il est encore l ’équivalent du BCS dans le réseau GSM. Le RNC contrôle et gère les ressources radio, en utilisant le protocole RRC (Radio Ressource Control), pour définir les procédures de communication entre les mobiles et le réseau.
Le RNC s’interface avec le réseau pour les transmissions en mode paquet et en mode circuit.
Le RNC est directement relié à un Node B, il gère alors :
Le contrôle de charge et de congestion des différents Node B.
Le contrôle d’admission et d’allocation des codes p our les nouveaux liens radio (entrée d’un mobile dans la zone de cellules gérées).
Il existe deux types de RNC :
Le Serving RNC qui sert de passerelle vers le réseau ;
Le Drift RNC qui a pour fonction principale le routage des données.
NB : L’ensemble des Node B et des RNC constitue l’équivalent de la sous architecture station de bases du réseau GSM. En réseau UMTS, on parlera desous architecture UTRAN.

La carte USIM.

La carte USIM assure la sécurité du terminal et laconfidentialité des communications. On utilise alors des algorithmes de cryptage à clés publiques. Un certain nombre de possibilités sont prévues pour les cartes USIM de troisième génératio. Par exemple, la détection des fausses stations de base, l’utilisation de clés de cryptage plus longues, ou encore la protection des données d’identité de l’abonné et de son terminal .
La carte USIM est l’équivalent en 3G de la carte SIM en 2G.

Le mobile

Les technologies de l’informatique et des télécommunications se rapprochent par l’intégration de système d’exploitation et d’applications sur les terminaux UMTS. Les terminaux s’adapteront sur différents réseaux et devront être capables defonctionner sur quatre environnements :
Dan une zone rurale ;
Dans des espaces urbains ;
Dans un bâtiment ;
Avec un satellite.
Le terminal utilisera ainsi les réseaux GSM/GPRS/UMTS pour une couverture nationale, tout en faisant appel aux réseaux de satellites pour une couverture mondiale si nécessaire. Le terminal sera équipé d’un navigateur, une évolution du browser WAP présent dans le système GSM actuel.

Utilisation des architectures réseaux existantes

Le cœur du réseau de l’UMTS s’appuie sur les éléments de base du réseau GSM et GPRS. Le cœur du réseau est en charge de la communication et du routage des communications (voix et données) vers les réseaux externes. Dans un premiertemps, le réseau UMTS devrait s’appuyer sur le réseau GPRS. Le cœur du réseau se décomposeen deux parties : le domaine circuit et le domaine paquet.

Le domaine circuit

Le domaine circuit permettra de gérer les services, en temps réel, dédiés aux conversations téléphoniques (vidéo-téléphonie, jeux vidéo,streaming, applications multimédia). Ces applications nécessitent un temps de transfert rapide. Lors de l’introduction de l’UMTS, le débit du domaine circuit sera de 384 kbps. L’infrastructure s’appuiera alors sur les principaux éléments du réseau GSM : station mobile MSC/VLR (bases de données existantes) et le GMSC, afin d’avoir une connexion directe avec le réseau externe.

Le domaine paquet

Le domaine paquet permettra de gérer les services non temps réels. Il s’agit principalement de la navigation sur l’Internet, de la gestion de jeux en réseaux et de l’accès/utilisation des emails. Ces applications sont moins sensibles au temps de transfert, c’est la raison pour laquelle les données transiteront en mode paquet. Le débit du domaine paquet sera sept fois plus rapide que le domaine circuit, environ 2Mbps. L’infrastructure s’ appuiera alors sur les principaux éléments du réseau GPRS : SGSN (bases de données existantes enmode paquet GPRS, équivalent des stations mobiles MSC/VLR en réseau GSM) et le GGSN (équivalent du station mobileC en réseau GSM) qui jouera le rôle de commutateur vers le réseau Internet et les autres réseaux publics ou privés de transmission de données.

Vue d’ensemble des technologies.

La 1G, 2G et 3G sont basées sur les réseaux cellulaires à commutation de circuit et fournissent des services centrés sur la voix. Le XG avec une commutation de paquet supportera des services multimédia basés sur l’Internet à large bande. Le XG utilisera une variété de système d’accès sans fil. Dans cette partie nous introduirons l’évolution des technologies qui supportent le XG dans les couches physiques, les liaisons de donnéeset le réseau.
Ce chapitre examine la technologie d’accès radio, utilisé dans le réseau cellulaire et le WLAN. Il traite également la mobilité IP, les différents APIs et les plateformes applicatives.Enfin, on parlera du middleware et des différentes applications.

Technologie d’accès radio dans les réseaux cellulaire 

Un système de communication est une combinaison de plusieurs technologies d’accès radio :
Les technologies fondamentales pour la communication radio incluent le codage et le décodage, la modulation et la démodulation.
Les technologies basiques pour la communication à étalement de spectre qui incluent la génération de signal aléatoire et pseudo aléatoire,la synchronisation des signaux pseudo aléatoire et la modulation et la démodulation des ignauxs à étalement de spectre.
Les technologies de niveau système qui contiennent la configuration et l’estimation des canaux, le contrôle de puissance de transmission et le handover.
Les détails sont fournis dans l’annexe 1.

Les technologies d’accès radio pour les systèmes XG

Cette section discute des défis de l’accès radio face aux systèmes XG et des technologies à développer pour atteindre les exigences requises par le XG.

Exigences techniques

Le système de communication mobile XG à large bande fait face à un défi causé par un canal, avec une plus grande bande passante. Les caractéristiques de propagation pour un tel canal produit une sélection des fréquences très pointueset une réduction de la fluctuation des puissances reçues.
De plus, pour supporter un service de communication transparent, le système XG sera développé sur la base de la réutilisation d’une seule fréquence dans les cellules. Et également sur une seule interface aérienne pour les environnements interneset externes.
L’accès radio XG a besoin de diverses technologies pour supporter ??:
Une communication mobile avec une vitesse élevée demobilité dans une configuration de microcellule ;
Une interface aérienne dans les environnements multi cellules et unicellulaire, avec un facteur de réutilisation de fréquence égale à 1 pour le casdes multi cellules ;
Une opération dans une bande de haute fréquence avec une importante bande passante;
Une importante capacité systèmepour les systèmes 3G;
Une vitesse de transmission supérieure à 100Mbps pour les appareils mobiles et une vitesse supérieure à 1Gbps pour les appareils fixes ;
Une puissance de transmission raisonnable pour les stations de base et les stations mobiles.

Solutions pour la réception.

En plus des exigences décrites ci-dessus, les exigences spécifiques pour la réception sont résumées ci-dessous :
L’approche du porteur multiple pourrait être utilisée pour la réception.
Le CDMA pourrait être le système fondamental.
Il y a un nombre de critères utilisé pour déterminele mécanisme basique d’un système de réception, pour les systèmes cellulaires à large bande. Par exemple, le TDMA ou le CDMA, un seul porteur (SC : Simple Carrier) ou un porteur multiple (MC : Multi-carrier), etc. Le tableau II-1 compare quelques-uns de ces systèmes de transmission pour un canal de réception à large bande.

Système d’accès radio à large bande pour les XG.

Un tel système hérite des technologies d’accès radio utilisées dans le 3G, et introduit de nouvelle technologie pour atteindre les exigences décrits ci-dessus. La proposition est basée sur une configuration de FDD (Frequency Division Duplex) avec différents systèmes d’émission et de réception. Le système VSF Variable( Spreading Factor) OFCDM (Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing) est proposé pour la réception. OFCDM est une combinaison du CDMA et de l’OFDM pour supporter un débit de 100Mbps.
Le système VSCRF (Variable Spreading and Chip Repetition Factors) CDMA est proposé pour l’émission. Dans le VSCRF, le facteur d’étalement et le facteur de répétition de symbole sont contrôlés par adaptation, sur la base de la structure des cellules et le nombre d’utilisateur qui accède au réseau.

VSF-OFCDM pour la réception.

L’OFCDM est un système à MC-CDMA. Généralement, il possède les caractéristiques suivantes :
Il réduit l’effet du MI par l’utilisation de la transmission à porteur multiple.
Il obtient l’effet de diversité de fréquence par l’étalement et lemapping des symboles de canal codé dans les sous porteurs.
Dans un environnement cellulaire, l’OFCDM applique l’étalement dans le domaine temporel ou fréquentiel afin de réutiliser une seule fréquencedans les cellules. Toutefois, dans un environnement de cellule isolé, où l’interférence nteri cellule peut être ignorée, l’étalement dans le domaine fréquentiel ou temporel n’est pas appliqué. Le système devient alors un OFCDM pure.

Principe du VSF-OFCDM

Le VSF-OFCDM est proposé comme un système unique deréception dans l’environnement cellulaire ou isolé. Il adapte le facteur d’étalement (SF : Spreading Factor) dans le domaine fréquentiel ou temporel. Mais également la configuration de la cellule aux conditions de propagation, le chargement du canal, le paramètre de transmission, etc.

Table des matières

LISTE DES ABREVIATIONS
INTRODUCTION
Chapitre 1 Les réseaux mobiles et l’architecture du XG.
1.1 Evolution des réseaux mobiles et des services. [1][2][3]
1.1.1 Les générations successives.
1.1.2 Tendance dans les services.
1.1.3 Intérêts du système mobile XG.
1.1.4 Les exigences de la nouvelle génération.
1.2 L’architecture 3G : UMTS. [1][2][4]
1.2.1 Infrastructure du réseau.
1.2.2 Les équipements du réseau
1.2.3 Utilisation des architectures réseaux existantes.
1.2.4 Limitation de l’architecture 3G
1.3 Architecture XG [1].
1.3.1 Principale caractéristique
1.3.2 Aperçu de l’architecture.
Chapitre 2 Vue d’ensemble des technologies.
2.1 Technologie d’accès radio dans les réseaux cellulaire [1][2][3][5].
2.1.1 Les technologies d’accès radio pour les systèmes XG.
2.1.2 Système d’accès radio à large bande pour les XG.
2.2 Le WLAN [1][5]
2.2.1 Introduction
2.2.2 Vue d’ensemble du standard WLAN actuel : WIFI.
2.2.3 Présentation du WIFI.
2.2.4 Mode de fonctionnement
2.2.5 Technique de transmission de données.
2.2.6 La couche liaison de données.
2.3 La mobilité IP [1][7].
2.3.1 Introduction.
2.3.2 Terminologie et architecture.
2.3.3 Le mobile IPv4.
2.3.4 Le mobile IPv6.
2.4 Les APIs et les plateformes applicatives pour le réseau XG. [1][8]
2.4.1 Création de service.
2.4.2 Les APIs standard de la télécommunication : JAIN.
2.5 Les applications sur les terminaux mobiles. [1][8][10]
2.5.1 Les technologies de plateforme logicielle des terminaux.
2.5.2 Middleware et applications.
Chapitre 3 La sécurité des réseaux.
3.1 La cryptographie. [1][5]
3.1.1 Introduction.
3.1.2 Cryptographie à clé secrète.
3.1.3 Cryptographie à clé publique.
3.1.4 Conclusion.
3.2 L’authentification, l’autorisation et la facturation. [1][9]
3.2.1 Introduction.
3.2.2 Concepts de l’AAA.
3.2.3 Les protocoles AAA.
3.3 Implémentation d’un serveur AAA. [8][9]
3.3.1 Introduction.
3.3.2 Infrastructure logicielle et matérielle de l’accès à distance.
3.3.3 Réalisation pratique.
3.4 Conclusion.
CONCLUSION
ANNEXE
Annexe I. Arrière plan des technologies d’accès radio.
I.1. Le trajet multiple.
I.2. Caractéristique basique de l’accès multiple dans un système cellulaire.
Annexe II. Le handoff.

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