Universal Mobile Telecommunications System

Le réseau UMTS (représenté figure 2.5) est une évolution du réseau GPRS, il appartient au réseau cellulaire 3G, c’est un standard développé par le consortium 3GPP dans les documents 23.101 [5] et [37]. Il suit les spécifications International Mobile Telecommunications 2000 (IMT-2000) de l’International Telecommunication Union (ITU) dans le sens où il utilise le standard radio Wideband Code Division Multiple Access (W-CDMA). Il existe cependant de nombreux types d’UMTS et tous n’utilisent pas W-CDMA.

Dans ce nouveau réseau, les anciens BSC sont remplacés par des Radio Network Controller (RNC) et les BTS par des NodeB. Une des évolutions notables apportée par les NodeB est

le support de plusieurs cellules radio par une seule entité physique.

UTRAN est le réseau d’accès utilisé, il en existe deux types : UMTS Terrestrial Radio Access - Frequency Division Duplexing (UTRA-FDD) et UMTS Terrestrial Radio Access - Time Division Duplexing (UTRA-TDD). UTRA-FDD utilise le standard W-CDMA se servant de la technique Direct Sequence CDMA (DS-CDMA). Ce type de réseau d’accès fait passer les informations ascendantes sur une fréquence différente de celles descendantes (principe du FDD) et permet l’utilisation d’une même fréquence par plusieurs usagers grâce à l’utilisation de codes de codages différents (principe du Code Division Multiple Access (CDMA)). UTRA-TDD utilise le standard Time Division CDMA (TD-CDMA), qui utilise le principe Time Division Duplex (TDD) pour séparer le trafic ascendant du trafic descendant. Le fait de permettre l’utilisation des techniques FDD et TDD induit un contrôle plus fin des bandes de fréquences à allouer. Par exemple, si l’opérateur ne dispose que de très courtes bandes de fréquences, il préférera surement utiliser la technique TDD qui évite de trop les diviser. UTRAN PSTN GMSC AuC GGSN PDN HLR EIR MSC/VLR MSC/VLR SGSN BSC RNC RNC BTS BTS NodeB NodeB ME Gi E C Gc Gn H D Gr F Gt G/E A Gs IuCs Gb IuPS

Abis Abis Iubis Iubis

Iur

Uu

Figure 2.5 – Architecture logique du réseau UMTS (inspirée de 3GPP [37])

Le standard W-CDMA a évolué et une extension appelée High Speed Packet Access (HSPA) est apparue, elle vise surtout à augmenter la capacité du réseau d’accès. Elle se com- pose de deux modules High-Speed Downlink Packet-Data Access (HSDPA) et High-Speed

Uplink Packet-Data Access (HSUPA) (ou Enhanced Uplink (EUL)) améliorant respective- ment les performances en downlink et uplink. Avec W-CDMA simple, le débit downlink peut atteindre environ 400 Kbps, tandis qu’avec HSDPA celui-ci peut atteindre 7,2 Mbps (voir 14 Mbps avec un terminal adapté). HSPA+ est une autre évolution introduisant notamment la technologie Multiple Input Multiple Output (MIMO) et pouvant atteindre 42 Mbps en

downlink et 11 Mbps en uplink. On peut remarquer que HSDPA peut être installé sans que

HSUPA soit présent, on peut donc avoir un système « semi-HSPA ».

Le module HSDPA introduit un nouveau canal logique nommé High Speed Downlink Shared channel (HS-DSCH) ayant la particularité d’être partagé entre tous les terminaux d’une même cellule. Ainsi la bande passante est mieux répartie ; celle non utilisée par un terminal n’est pas perdue puisqu’elle peut être utilisée par les autres. Il est préférable d’avoir un canal avec beaucoup de débit partagé entre plusieurs usagers plutôt que plusieurs petits canaux attribués un à un à chaque terminal. Ce partage de canal n’est pas effectué de façon triviale comme avec une file First In First Out (FIFO) par exemple, mais utilise une méthode de scheduling trame par trame basée sur la qualité de réception des UE. Pour chaque nouvelle trame, chaque UE envoie un rapport sur la qualité de sa réception (appelé Channel-Quality Indicator (CQI)), le NodeB décide alors lequel d’entre eux recevra cette trame et quelle quantité de données y stocker [54]. Le délai est aussi amélioré grâce à l’utilisation d’une méthode HARQ basée sur les NodeB et non le RNC comme c’est le cas pour EDGE.

Le module HSUPA apporte approximativement les mêmes modifications en uplink : sche-

duling, HARQ, etc. Partager le canal downlink est aisé étant donné que tous les paquets

passent par le NodeB avant d’être envoyés par ondes radio. Le NodeB peut facilement choisir sur quel UE envoyer des données. En revanche, cela est plus délicat en uplink étant donné que plusieurs UE peuvent envoyer des informations en même temps sans passer par un point central. La solution utilisée dans HSUPA est de placer le scheduler dans le NodeB, cela im- plique que les UE envoient régulièrement un rapport sur l’état de leurs buffers et notifient le NodeB lorsqu’ils veulent envoyer de nouvelles données. Contrairement à HSDPA, où un seul UE à la fois est adressé par le NodeB, plusieurs UE peuvent envoyer des données en même temps, ce qui peut provoquer des interférences. Le scheduling effectué par le NodeB permet de s’assurer que les signaux sont toujours décodables, que les interférences ne sont pas trop fortes. Bien que les nouveaux canaux uplink se comportent comme des canaux partagés du fait du scheduling, ils sont en fait dédiés ; c’est le taux d’interférence au NodeB qui est partagé par les UE [54].

Deux nouveaux types de relève sont introduits [47] :

softer handover désigne le passage d’une cellule à une autre géré par le même NodeB.

spécifique. Ce handover n’a pas d’impact sur l’architecture UTRAN étant donné qu’il n’y a pas de changement de NodeB.

soft handover désigne le passage d’une cellule à une autre géré par des NodeB différents.

Le UE est alors connecté à deux NodeB en même temps ce qui implique la présence du lien Iur (cf. figure 2.5) pour les synchroniser (dans le cas où elles n’appartiennent pas au même RNC).

Les terminaux ne sont plus appelés MT mais UE, ils contiennent désormais un module d’identification Universal subscriber identity module (USIM) évolution du Subscriber Identity Module (SIM) utilisé dans GSM.

Pour augmenter les performances du réseau radio, les couches LLC et Sub Network Dependent Convergence Protocol (SNDCP) sont remplacées par une couche Packet Data Convergence Protocol (PDCP), chargée entre autre de compresser les en-têtes IP.

Comme les réseaux GPRS et EDGE, UMTS dispose de méthodes de QoS (figure 2.6). Cependant, les précédents réseaux n’étaient pas prévus pour supporter des trafics temps réel, ils ne possédaient que des méthodes de gestion de QoS assez basiques [47]. Dans UMTS, la QoS est gérée indépendamment pour chaque service grâce à un système de bearer. Un bearer est un tunnel par lequel passent les données du ou des services pour lequel il a été construit, chaque bearer possédant sa propre QoS.

UMTS dispose de plusieurs couches relatives au bearer comme le montre la figure 2.7. Pour l’utilisateur, le service de QoS apparait comme étant de bout en bout. Un des buts du système à sa création était d’être intelligible et simple à configurer, de ce fait seul quatre classes de QoS ont été définies, le tableau 2.1 donne leurs caractéristiques. Chaque classe possède des attributs comme le débit maximum, le débit garanti, la priorité d’allocation et de rétention (voir 23.107 [6] pour plus de détails).

Tableau 2.1 – Caractéristiques des classes de QoS utilisées en UMTS

Classes conversation streaming interactive best effort Caractéristiques peu de gigue_{peu de délai} peu de gigue _{peu de d’erreur}peu de délai peu de perte

exemples

d’application voix streamingvidéo web mail, download

Les trois principaux protocoles utilisés dans le réseau UTRAN sont : Radio Resource Control (RRC), RLC et Medium Access Control (MAC) (voir figure 2.6). Le protocole RRC gère le plan de contrôle du réseau d’accès et notamment les procédures de connexion, les mesures de qualité du lien radio, les bearers, les procédures de sécurité et les décisions de

L3 L2 L1 Contrôle C o n tr ô le

plan Contrôle plan Donnée

RRC bearersradio signalisation des bearersradio PDCP BMC RLC canaux logiques MAC canaux de transports physique

Figure 2.6 – Protocoles radio UTRAN (inspirée de Brand et Aghvami [47])

bearer UMTS

bearer RAN Core Network_bearer

bearer radio bearer d’accès_RAN backbone bearer

handover. Le protocole MAC gère l’envoi des données sur la couche physique en tenant compte

des paramètres que lui fourni le protocole RRC, il gère notamment le scheduling des données. Le protocole RLC offre trois types de transfert aux couches supérieures [47] :

transparent Les données sont envoyées sans ajout d’en-tête relative au protocole RLC.

Aucune modification n’est effectuée sur les données, il est cependant possible d’utiliser la fonctionnalité de segmentation/ré-assemblage. Les données ne sont pas garanties d’arriver à destination, il est aussi possible que des erreurs soient présentes dans les paquets remontés aux couches supérieures.

unacknoledged Les données ne sont pas garanties d’arriver à destination, mais celles qui

arrivent sont garanties d’être exemptes d’erreur.

acknoledge Les données sont garanties d’arriver à destination, sans erreur.