Les Réseaux de téléphonie mobile

Depuis la démocratisation de la téléphonie mobile à la fin des années 90, les appareils mobiles ont

évolués pour proposer plus que le simple service d’appel. La miniaturisation ayant permis aux

téléphones de devenir des ordinateurs de poche, les réseaux cellulaires permettent l’accès à des

services à ceux accessibles à domicile via un équipement fixe. Nous ne détaillerons pas ici la première génération (1G) de téléphonie mobile qui était analogique, encombrante et qui a disparu en 2000.

La seconde génération (2G) marque le passage de l’analogique au numérique avec le « Global System

for Mobile Communications » (GSM). Il était alors possible de transmettre des données autre que la

voix : le protocole « Wireless Application Protocol » (WAP) pour accéder à Internet, l’envoi de

messages textes « Short Message Service » (SMS) et même de messages multimédia «Multimédia Messaging Service » (MMS) contenant des photographies, des enregistrements audio ou vidéo.

Néanmoins, le faible débit proposé (9,05kb/s) limite fortement les possibilités d’utilisation. Le

développement de réseaux de téléphonie proposant une meilleure connexion fut alors nécessaire. La norme « General Packet Radio Service » (GPRS) est une extension du GSM pour la transmission de paquets et permet de fournir une connectivité IP. Cette norme se situe entre la seconde génération et la troisième génération, elle est donc souvent appelée 2,5G.

La troisième génération de téléphonie mobile (3G) est définit par la norme « Universal Mobile

Telecommunications System » (UMTS) qui permet d’atteindre des débits bien supérieurs (2Mbps en

théorie). Contrairement au GPRS qui utilisait les mêmes antennes que le GSM, l’UMTS n’est pas

compatible et le coût relatif au déploiement d’antennes a freiné certains opérateurs à l’étranger, ceux-ci préférant passer directement aux réseaux de quatrième génération (4G). La France peut être considérée comme une exception, les opérateurs ayant opté pour la 3G dans les années 2000, la 4G est installée moins rapidement.

Les réseaux « Long Term Evolution Advanced» (LTE-Advanced) sont considérés comme les réseaux mobiles 4G et devraient permettre un débit de 1Gbps à l’arrêt est de 100Mbps en mouvement. Les implémentations de ces réseaux sont en cours et les téléphones les plus récents sont compatibles. Les réseaux de téléphonie étant conçus pour supporter la mobilité, nous allons surtout traiter dans cette partie leurs performances et leur capacité à fournir des services de QdS. Les descriptions faites dans cette partie étant tirées des normes, il est plus difficile de savoir ce qui est réellement implémenté, les opérateurs installant leur propre infrastructure. La seule information disponible sur les réseaux déployés est la couverture, qui ne révèle ni les débits réellement atteignables ni les services disponibles.

II.3.1Le GPRS

La norme GPRS est l’amélioration du GSM pour permettre la transmission de paquets. Comme pour

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contraintes différentes. La norme GPRS doit donc être en mesure d’apprendre les caractéristiques de

ces flux et de respecter leurs contraintes. Les besoins des applications des abonnés sont déterminés lors de l’utilisation du service. Le terminal de l’utilisateur communique à l’entité en charge du réseau un profil de QdS souhaité. Le serveur répond alors avec un profil adapté à la disponibilité du réseau. Les types de trafic sont triés en classes suivant plusieurs critères :

 Classes de priorité : haute, normale ou basse,

 Classes de fiabilité de la transmission : dépendant des probabilités de pertes, de duplication, de

l’ordre d’arrivée et de corruption des paquets,

 Classes de délai : garantissant un délai moyen suivant le service utilisé,

 Classes de débit : limité en moyenne (octets par heure) ou limité en pointe maximale (octets

par seconde).

La prise en compte en compte des interférences présentes sur le réseau (obstacles, autres terminaux,….) permet la définition de profils précis répondant aux contraintes des applications dans la

mesure du possible. Une fois le profil déterminé, le serveur d’accès peut alors allouer la bande

passante aux différents utilisateurs en assignant un nombre d’intervalles temporels. Si le réseau est en

surcharge, certains intervalles peuvent être partagés entre utilisateurs à condition que leurs demandes

le permettent. Inversement, un seul abonné peut obtenir jusqu’à 8 slots. La bande passante disponible

est alors définie en fonction du schéma de codage utilisé, soit pour 1 slot et 8 slots :

 CS1: 9.05kb/s/72kb/s,

 CS2: 13.6kb/s/108.8kb/s,

 CS3: 15.7kb/s/125.6kb/s,

 CS4: 21.4kb/s/171.2kb/s.

Le choix se fait en fonction notamment des conditions météorologiques, les débits les plus faibles permettant des taux de pertes moins élevés. En général, le schéma de codage est établi par le gérant du réseau et les terminaux doivent s’adapter.

Le principal avantage du GPRS est sa grande disponibilité, partout en France et avec un signal très fort en zone urbaine. Mais les différents services ainsi que le coût sont déterminés par le fournisseur et dépendent du contrat établi. Pour pouvoir établir une QoS sur GPRS, il faut donc se renseigner sur ce qui est implémenté sur le réseau, ce qui peut être utilisé et à quel prix.

II.3.2La 3G

L’organisme 3GPP (3rd Generation Partnership Project) visait à standardiser la 3° génération de

téléphonie mobile. La spécification technique 23.107 [19] traite des concepts et de l’architecture QoS.

La technologie utilisée est UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) qui est un dérivé de W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access).

Les « UMTS Bearer Services » sont définis pour l’accès au support radio et le réseau de cœur, ils ne

prennent pas en compte l’architecture des terminaux. Les paquets sont triés dans 4 classes correspondant à 4 besoins différents:

 Conversation: délai et gigue faible (voix, VoIP,…),

 Streaming Vidéo: gigue faible (Streaming Vidéo),

 Interactif: transfert de données (WebBrowsing requête/réponse),

37 Les attributs des différents services donnés aux applications sont nombreux, débit maximum et débit garanti, SDU maximum, ordre d’arrivée respecté ou non… Comme pour le GPRS, les attributs des différents services permettent d’avoir une définition précise pour le fournisseur sur le type de trafic et pour l’utilisateur sur le comportement que va avoir la connexion.

II.3.3La 3G+

Basé sur la technologie HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), ce protocole pour la téléphonie mobile est censé offrir des performances 10 fois supérieures à la 3G.

Il s'agit d'une amélioration du lien descendant par rapport à UMTS, le DCH (Dedicated CHannel) qui était utilisé par un seul utilisateur est maintenant partagé. Les voies montantes et descendantes utilisent des nouveaux canaux physiques: UHS-DPCCH (Uplink High Speed Dedicated Physical Control CHannel) et HS-PDSCH (High Speed Physical Downlink Shared Channel). Les canaux de transport définissent dans le sens descendant sont: HS-DSCH (High Speed Dedicated Shared CHannel) pour la transmission des données et HS-SCCH (Shared Control CHannel) pour la signalisation. L'architecture QoS de HSDPA reprend les services définis dans UMTS, en ciblant particulièrement le streaming, l'interactif et le background.

II.3.4La 4G

La 4° génération de réseau cellulaire est celle qui doit permettre d’atteindre le très haut débit et permettre l’utilisation de nouvelles applications. La différence majeure par rapport aux générations précédentes est la disparition du mode commuté pour les appels, ceux-ci reposant uniquement sur la

voix sur IP. Le rapport [20] publié par l’ITU-R définit les pré-requis pour qu’un système soit

« International Mobile Telecommunications-Advanced » (IMT-Advanced). Par exemple, les temps d’interruptions lors d’un changement de station de base sont définis : 27.5ms lorsque le changement intervient dans la même fréquence et 40ms lorsque le changement se passe entre 2 fréquences différentes (60ms si la bande spectrale diffère aussi). Deux technologies sont actuellement déployées et commercialisées : « Mobile Wimax » (IEEE802.16e) et « Long Term Evolution » (LTE).

Elles sont tous les deux estampillés 4G même si les performances qu’elles proposent restent en

-dessous des recommandations de l’ITU-R qui sont 1Gb/s en position stationnaire et 100Mb/s à haute vitesse. Mobile Wimax et LTE atteignent respectivement 128Mb/s et 100Mb/s sur le lien descendant.

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III La mobilité au niveau Réseau

Dans cette section, nous allons voir des mécanismes permettant de gérer la mobilité de bout-en-bout ainsi que certains concepts permettant de les améliorer. La terminologie relative à la mobilité est dense

et une grande partie de ce vocabulaire est défini dans un document de l’IETF à caractère informatif

[26]. Les termes et acronymes relatifs à la mobilité utilisés dans cette section et par la suite de cette thèse sont issus de ce document.

Avec la croissance du nombre de nœuds sur Internet, l’ « Internet Protocol » (IP) évolue vers sa

nouvelle version IPv6 qui permet la gestion d’une plus grande quantité d’adresses IP. Comme la

mobilité n’était pas incluse dans IPv4, de nombreux travaux sur la mobilité se sont tournés vers IPv6,

ce qui laisse penser que la gestion de la mobilité est incluse dans le déploiement d’IPv6. Nous ne

présenterons donc pas ici la mobilité avec IPv4 mais directement avec IPv6.