Proposition d’une stratégie de migration optimisée du Réseau GSM LIBERCOM vers l’UMTS

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RECHERCHE SCIENTIFIQUE

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UNIVERSITÉ D’ABOMEY- C AL AVI

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ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CAL AVI

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DÉPARTEMENT DE GÉNIE INFORMATIQUE ET TÉLÉCOMMUNICATION

Option : Réseaux et Télécommunications

MÉMOIRE DE FIN DE FORMATION POUR L’OBTENTION DU

DIPLOME D’INGÉNIEUR DE CONCEPTION

Présenté et Soutenu par :

ADJIBADE Razidatou Folachadé Gislaine Le 13 Décembre 2013

Devant le jury composé de : Président : Dr. Léopold DJOGBE, Enseignant à l’EPAC

Membres : 1. Ir. Basile DEGBO, Maître de mémoire, Enseignant à l’EPAC 2. Dr. Kokou ASSOGBA, Enseignant à l’EPAC

3. Ir. Florentin AGOSSOU, Tuteur de Stage, Chef Centre du CIT LIBERCOM

M m en s

Année académique 2012 – 2013 (6ième Promotion) Thème :

Proposition d’une stratégie de migration optimisée du

Réseau GSM LIBERCOM vers l’UMTS

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i ADJIBADE Razidatou F. Gislaine - GIT/Réseaux et Télécommunications

Sommaire i

Dédicaces iii

Remerciements iv

Liste des sigles et abréviations vi

Liste des figures ix

Liste des tableaux xi

Résumé xii

Abstract xiii

Introduction Générale 1

Première Partie: Etat de l’art et aperçu des réseaux mobiles 2G, 2,5G et 3G 3

Chapitre 1.Généralités sur les réseaux Mobiles 4

Chapitre 2. Etat des lieux du réseau LIBERCOM 37

Chapitre 3. Dimensionnement d’un réseau UMTS 42

SOMMAIRE

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ii ADJIBADE Razidatou F. Gislaine - GIT/Réseaux et Télécommunications

Deuxième Partie : Etude de la migration optimisée du réseau

Libercom vers l’UMTS 55

Chapitre 4 : Implémentation des différentes techniques de migration 56

Chapitre 5 : Elément de mise en œuvre de la méthode retenue au réseau LIBERCOM 64

Conclusion Générale 69

Références Bibliographiques 70

ANNEXES 72

SUMMARY 86

Table des matières 90

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iii ADJIBADE Razidatou F. Gislaine - GIT/Réseaux et Télécommunications

A Dieu le Tout Puissant,

Ton amour et ta bienveillance m’ont fortifié dans la persévérance et l’ardeur au travail.

A la mémoire de mon Feu Père, Falilou ADJIBADE

Ce travail est l’expression de ma reconnaissance pour tous les efforts et sacrifices que tu as consenti pour mon éducation, et ma réussite. Tu as planté un arbre mais tu n’as pas eu le temps de jouir de ses fruits. Puisse Dieu t’accueillir dans son infinie Miséricorde.

A Ma Mère, Kadidjath ADJIBADE née BAKARY

Dont les mérites, les sacrifices, les qualités humaines m’ont permis de vivre ce jour.

Les mots me manquent pour exprimer toute la reconnaissance, la fierté et le profond amour que je te porte pour les sacrifices que tu as consenti pour ma réussite, trouve ici le témoignage de mon attachement, ma reconnaissance, ma gratitude et le respect, que Dieu te préserve bonne santé et longue vie.

A Ma Tante, Chakirath AKADIRI née BAKARY

Aucun hommage ne peut être à la hauteur de l’amour et de l’affection dont vous m’aviez comblé.

A tous mes frères et sœurs,

J’espère avoir atteint le seuil de vos espérances. Que ce travail soit l’expression de ma profonde affection. Je vous remercie pour le soutien moral et l’encouragement que vous m’avez accordés. Je vous souhaite tout le bonheur que vous méritiez.

.

A Monsieur Adio Zul Djalal-Dine BELLO,

Pour la patience et le réconfort dont il a fait preuve.

DEDICACES

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iv ADJIBADE Razidatou F. Gislaine - GIT/Réseaux et Télécommunications

Reconnaissante qu’au-delà, gloire à Dieu qui a voulu que ce travail aboutisse, et qu’au travers c’est toi qui as agi, ces moments que tu as préparés longtemps à l’avance.

Je remercie également tous ceux qui de près ou de loin ont contribué à la réalisation de ce travail, notamment :

 Le Pr. Félicien AVLESSI et Dr. BONOU Clément respectivement Directeur et Directeur Adjoint de l’Ecole Polytechnique d’Abomey‐Calavi et à toute l’administration de l’EPAC ;

 Au Dr. Kokou ASSOGBA, Chef du Département GIT, pour sa détermination à nous offrir une formation de qualité en GIT ;

 A Monsieur Basile DEGBO, notre maître de mémoire, pour sa disponibilité et son assistance dans la concrétisation de ce travail ;

 Au Dr Léopold DJOGBE pour son apport personnel dans la réalisation de ce mémoire ;

 A Tous les enseignants du Département GIT et GE pour la qualité de leurs cours ;

 Au Directeur de Bénin Télécoms Mobile (LIBERCOM SA), Isidore DEGBELO, pour m’avoir permis d’effectuer mon stage au Centre des Infrastructures Techniques de LIBERCOM et de réaliser un tel projet ;

 A Mon tuteur de stage M. Florentin AGOSSOU, Chef Centre du Centre des Infrastructures Techniques (CIT) de LIBERCOM SA, pour sa disponibilité et ses précieux conseils;

 A tous les techniciens de LIBERCOM pour le soutien moral et pour la spontanéité avec laquelle ils m’ont aidée ;

REMERCIEMENTS

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v ADJIBADE Razidatou F. Gislaine - GIT/Réseaux et Télécommunications

 A Ma Tante Chakirath AKADIRI née BAKARY et son époux Latif AKADIRI pour avoir consenti à tant d’efforts et de sacrifices pour mes études ;

 A Mes sœurs Nimath, Oussamath, Yasmine et mes frères Achiraf, Isdine, Kassim pour leur sollicitude et leur présence permanente à mes côtés ;

 A Mes cousins, cousines et amies. Une pensée particulière à : Olivia AVAHOUIN, Nambilath CHITOU, Rodiyath CHITOU, et Moufidath ADJIBADE;

 A M. Sédar EGNONSE pour l’aide précieuse qu’il m’a apporté ;

 A Tous mes promotionnaires, pour les bons moments passés ensemble ;

 A toute ma famille (mes grands-parents, oncles, tantes, cousins, cousines, neveux, nièces) ;

 Aux membres du jury pour avoir accepté d’évaluer le contenu de ce travail.

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vi ADJIBADE Razidatou F. Gislaine - GIT/Réseaux et Télécommunications

2G: Deuxième Génération 3G: Troisième Génération

3GPP: Third Generation Partnership Project

Abis: Interface entre les entités BTS et BSC du GSM AuC: Authentication Center

BG: Border Gateway

BSS: Base Station Sub-system BSC: Base Station Controller BTS: Base Transceiver Station

CDMA: Code Division Multiple Access CN: Core Network

DRNC: Drift RNC

EDGE: Enhanced Data Rate for GSM Evolutions EIR: Equipment Identity Register

FDD: Frequency Division Duplex

FDMA: Frequency Division Multiple Access GPRS: General Packet Radio Service

GSM: Global System for Mobile Communications GGSN: Gateway GPRS Support Node

HLR: Home Location Register

IMEI: International Mobile Equipment Identity

LISTE DES SIGLES ET ABREVIATIONS

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vii ADJIBADE Razidatou F. Gislaine - GIT/Réseaux et Télécommunications

IMSI: International Mobile Subscriber Identity

IMT-2000: International Mobile Telecommunication system 2000 IP: Internet Protocol

LAPD: Link Access Protocol D-Channel

LAPD-m: Link Access Procedure for the D-channel for mobile LLC: Logical Link Control

MM: Mobility Management MS: Mobile Station

NSS: Network Sub-System

OVSF: Orthogonal Variable Spreading Factor PDP: Packet Data Protocol

PDU: Packet Data Unit

PLMN: Public Land Mobile Network

PSTN: Public Switched Telephone Network RLC: Radio Link Control

RNC: Radio Network Control RNS: Radio Network Subsystem RR: Radio Ressource

RTP: Real Time Protocol RRC: RR Controller

SGSN: Serving GPRS Support Node SMS: Short Message Service

SRNC: Serving RNC

SS7: Signalling System number 7 TD-CDMA: Time Division CDMA

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viii ADJIBADE Razidatou F. Gislaine - GIT/Réseaux et Télécommunications

TDD: Time Division Duplex

TDMA: Time Division Multiple Access TDM: Time Division Multiplexing UE: User Equipment

UMTS: Universal Mobile Telecommunication System UIT: Union Internationale des Télécommunications UTRAN: UTRA Network

VLR: Visitor Local Register WCDMA: Wideband CDMA

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ix ADJIBADE Razidatou F. Gislaine - GIT/Réseaux et Télécommunications

Figure 1 : Présentation de différents réseaux sans-fil et mobiles 4

Figure 2 : Architecture d’un réseau GSM 5

Figure 3 : Architecture d’un réseau GPRS 6

Figure 4 : Architecture globale d’un réseau UMTS 8

Figure 5 : Architecture d’un réseau cœur de l’UMTS 9

Figure 6: Liaison du Transcodeur avec le réseau cœur 11

Figure 7 : Architecture d’un réseau d’accès de l’UMTS 12

Figure 8 : Environnement d’utilisation des interfaces de norme UMTS 14

Figure 9 : Schéma de soft handover et de macro-diversité 16

Figure 10 : Architecture en couche de l’UTRAN 19

Figure 11 : Synoptique de l'étalement 22

Figure 12 : Etalement et désétalement du signal de deux utilisateurs 23

Figure 13 : Réduction des brouilleurs 23

Figure 14 : Code d’étalement 24

Figure 15 : Contrainte sur code d’étalement 25

Figure 16 : Mode FDD 26

Figure 17 : Mode TDD 27

Figure 18 : Principe du Scrambling 27

Figure 19 : Le sous-système IP multimédia (IMS) 32

Figure 20 : Architecture d’un réseau 3G intégré 34

Figure 21: Architecture d’un réseau 3G overlay 35

Figure 22 : Etapes de L’algorithme 58

LISTE DES FIGURES

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x ADJIBADE Razidatou F. Gislaine - GIT/Réseaux et Télécommunications

Figure 23: Couverture UMTS en utilisant le premier algorithme 59

Figure 24 : Etapes de L’algorithme 61

Figure 25 Couverture UMTS en utilisant l'algorithme heuristique 62

Figure 26 : Conception du simulateur 65

Figure 27 : Fenêtre principale du simulateur 66

Figure 28 : Configuration initiale 67

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xi ADJIBADE Razidatou F. Gislaine - GIT/Réseaux et Télécommunications

Tableau 1 : Tableau récapitulatif des interfaces de l’UMTS 13 Tableau 2 : Comparaison entre code OVSF et Scrambling code 28 Tableau 3 : Différents valeur de K 51

LISTE DES TABLEAUX

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xii ADJIBADE Razidatou F. Gislaine - GIT/Réseaux et Télécommunications

Les évolutions du monde des télécommunications vers le multimédia mobile suite aux avancées technologiques ont démontré que fournir l’accès au réseau n’est plus suffisant. Le besoin des utilisateurs s’oriente vers l’accès aux services multimédia nécessitent de hauts débits de transfert d’où l’idée de l’évolution vers un autre réseau plus adapté à la transmission de données et permettant d’atteindre un débit plus élevés. Ainsi, la majorité des opérateurs des réseaux GSM se préparent actuellement pour la migration de leurs réseaux vers l'UMTS. En effet le déploiement d’un réseau UMTS constitue un investissement colossal dont la majeure partie est absorbé par la mise en place du réseau d’accès radio. Afin de réduire les dépenses relatives à l'implantation des équipements radio UMTS, les opérateurs des réseaux GSM souhaitent exploiter au maximum l'infrastructure existante. L'objectif de ce projet est de proposer une technique de migration permettant aux opérateurs d'avoir une configuration optimale du réseau UMTS projeté en exploitant au maximum l'infrastructure existante. La solution proposée est validée par des simulations réalisées à partir de l’outil de simulation MATLAB. Les résultats de ces simulations montrent les différents emplacements des nouveaux sites UMTS à ajouter en plus des anciens sites GSM qui seront exploités.

Mots clés : UMTS, GSM, UTRAN, WCDMA, Contrôle de puissance, Couverture, Capacité, Réseau cœur, Optimisation, Sites radio.

RESUME

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xiii ADJIBADE Razidatou F. Gislaine - GIT/Réseaux et Télécommunications

Developments in the world of telecommunications to mobile multimedia suite technological advances have demonstrated that provide network access is not enough . The need for users moving towards access to multimedia services require high transfer rates where the idea of changing to another network more suitable for the transmission of data and to achieve a higher throughput. Thus, the majority of operators of GSM networks are preparing to migrate their networks to UMTS. Indeed, the deployment of a UMTS network is a huge investment, much of which is absorbed by the establishment of the radio access network. To reduce costs relating to the implementation of UMTS radio equipment, operators of GSM networks want to maximize existing infrastructure. The objective of this project is to provide a migration technique allowing operators to achieve optimal configuration of the UMTS network projected maximum use of the existing infrastructure. The proposed solution is validated by simulations from the MATLAB simulation tool. The results of these simulations show the locations of the new UMTS sites to add in addition to the old GSM sites to be exploited.

Key Words: UMTS, GSM, UTRAN, WCDMA, Power control, Cover, Capacity, Core Network, Optimization, Radio Sites.

ABSTRACT

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ADJIBADE Razidatou F. Gislaine - GIT/Réseaux et Télécommunications Page 1

INTRODUCTION GENERALE

Le monde de la Téléphonie mobile a connu un essor prodigieux au cours de la dernière décennie. Ainsi, plus d’un demi-milliard d’abonnés profitent des services offerts par les réseaux cellulaires mobiles. La plupart utilise les réseaux GSM (Global System for Mobile communications) et bénéficie essentiellement de services de parole, de SMS (Short Message Service), et autres. Le développement des systèmes d’information engendre l’accroissement sans cesse d’application orienté Data auxquels les utilisateurs cherchent de plus en plus à accéder à partir de leur Terminal mobile. Mais les débits de transmission mis à disposition par le GSM sont très limités. Pour pallier un tant soit peu cette limitation, il a fallu intégrer la transmission en mode paquet à travers le GPRS et le EDGE qui ne sont pas restés sans montrer leurs limites face aux applications multimédias de plus en plus gourmandes en débit. Pour améliorer le débit, et rendre performants au point de vue service les réseaux de 2^ème Génération migrent vers des normes supérieures qui sont conçus pour fournir des services multimédia avec une qualité meilleure à celle offerte par les réseaux de 2^ème Génération.

Ainsi, les réseaux GSM établis au Bénin se migrent progressivement vers les réseaux de 3^ème Génération en occurrence l'UMTS. Cette migration apparaît essentielle pour conserver la clientèle sans cesse exigeante en service et qualité de service et nécessite en même temps de grands investissements. Contrairement à l’introduction du GPRS qui ne nécessite que l’ajout de quelques nouveaux équipement, l’UMTS requiert le déploiement de nouvelles infrastructures et de nouvelles méthodes de dimensionnement différentes de celles utilisées en GSM. Par ailleurs, afin de réduire les dépenses relatives à l'implantation des équipements radio UMTS, les opérateurs des réseaux GSM doivent exploiter au maximum l'infrastructure existante (locaux, énergie, équipement de transmission, pylône...).

Ceci réduit en plus de la charge financière, le temps d'implantation des sites et évite aux opérateurs la charge de recherche de nouveaux emplacements. La finalité cherchée par les opérateurs des réseaux GSM est donc de trouver une stratégie ou une méthodologie permettant d’assurer une migration efficace de leurs Réseaux GSM vers l’UMTS. C'est dans ce contexte que se justifie le thème de notre mémoire intitulé: Proposition d’une stratégie de migration optimisée du Réseau GSM

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ADJIBADE Razidatou F. Gislaine - GIT/Réseaux et Télécommunications Page 2

LIBERCOM vers l’UMTS. L’objectif de cette étude est de proposer une technique devant permettre aux opérateurs d'avoir une configuration optimale de leur réseau UMTS projeté en exploitant au maximum l'infrastructure existante et en se basant sur la connaissance de la répartition spatiale du trafic GSM et la répartition géographique de sites radio GSM.

Pour mener à bien cette étude, nous allons dans une première partie faire l’état de l’art et l’aperçu des réseaux mobiles (2G à 3G). Dans la deuxième partie, nous proposons une technique d’optimisation pour la migration d’un réseau GSM vers l’UMTS. Ces solutions seront mises en application dans le réseau LIBERCOM.

Pour ce faire nous avions utilisé un simulateur conçu sous Matlab. Les résultats issus de ces simulations feront l’objet d’une analyse et d’une recommandation pour le déploiement du réseau UMTS. Puis suivront une conclusion générale et des suggestions.

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3 ADJIBADE Razidatou F. Gislaine - GIT/Réseaux et Télécommunications

Chapitre 1 : Généralités sur les réseaux Mobiles

Chapitre 2 : Etat des lieux du réseau LIBERCOM

Chapitre 3 : Dimensionnement d’un réseau UMTS

PREMIERE PARTIE : Etat de l’art et aperçu des réseaux mobiles (2G à 3G)

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Chapitre 1: Généralités sur les réseaux Mobiles

Introduction

De nos jours, nous sommes en présence de plusieurs types de réseaux locaux sans fil et de réseaux mobiles. Ces deux appellations sont souvent utilisées pour désigner la même chose alors qu’il s’agit de significations différentes. La portée des réseaux sans-fil est faible, et ne permet pas des déplacements importants. En revanche, avec les réseaux mobiles on peut espérer des portées importantes, et permettant de la mobilité au cours de leur utilisations. Le schéma ci-dessous présente différents types de réseaux sans-fil et réseaux mobiles :

Figure 1 : Présentation de différents réseaux sans-fil et mobiles [7]

1.1 Rappels sur les réseaux GSM

Global System for Mobile communication (GSM) est la norme de la téléphonie mobile de seconde génération développée à partir de 1990. Cette technologie représente la première technologie de téléphonie numérique sans fil. En 1992, le GSM est utilisé dans 7 pays européens. Le débit moyen du GSM est similaire à celui du FAX, c’est-à-dire 9,6 kbit/sec. Un réseau GSM, comme décrit dans la figure 2, se compose de deux entités opérationnelles (BSS « Base Station Sub- system » et NSS « Network Sub-System ») et d’un centre d’exploitation et de maintenance OSS

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« Operation Sub-System » qui se matérialise par le NMC et les OMC « Operation and Maintenance Center ».

L'architecture de base du système GSM se présente comme suit :

 Le sous-système radio appelé également « Base Station Sub system (BSS)

» regroupe les équipements assurant toutes les fonctions de gestion des aspects radio à savoir les BTS « Base Transceiver Station (BTS) », les BSC « Base Station Controller » et les Transcodeurs (TRAU).

 Le sous-système réseau, également appelé « Network SubSystem (NSS) », regroupe les sous-systèmes qui assurent des fonctions du niveau réseau (routage, interconnexion) à savoir le MSC « Mobile services Switching Center

», le HLR «Home Location Register », AuC «Authentication Center », EIR « Equipment Identity Register » et VLR «Visitor Location Register ».

 Sous Système d’exploitation (OSS), ce sous-système s’occupe de l’exploitation et de la maintenance du réseau. Il permet la gestion administrative, commerciale et technique du réseau.

Figure 2 : Architecture d’un réseau GSM BTS

BTS

BSC BSC

SIM

ME

PLMN ISDN MSC

HLR VLR

EIR AuC

Um A

Abis

T R A U

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1.2 Evolutions du GSM

Pour offrir des débits permettant une transmission de données acceptable, il a fallu faire évoluer le GSM par intégration de technologie additionnelle : le GPRS (General Packet Radio Service) et l’EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) qui exploite une technique de transmission de données en mode paquet. Le débit théorique du GPRS est de 171,2 Kbit/s, et le débit réel est de l’ordre de 55 Kbit/s.

Son avènement marquait déjà le besoin de migrer les réseaux GSM vers les réseaux de troisième génération. Le GPRS introduit en plus une flexibilité dans le choix du type de protection de données, offrant ainsi une plus grande variété de débit. Le GPRS et le GSM fonctionnent en parallèle, le premier étant utilisé pour le transport de données, le second pour les services classiques de la voix. Tous ces deux réseaux utilisent les mêmes équipements pour le sous- système BSS mais se distinguent au niveau du réseau cœur. Le déploiement du réseau GPRS nécessite la mise en place d’une infrastructure réseau basée sur la commutation paquets et l’introduction de passerelles pour s’adosser aux réseaux GSM existant [7].

Figure 3 : Architecture d’un réseau GPRS [7]

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Les BTS reçoivent un logiciel PCU (Packet Control Unit) qui gère les transmissions par paquets dans la BSC. Les nouveaux éléments qui doivent alors s’ajouter au GSM pour offrir le GPRS, sont principalement le SGSN (Serving GPRS Support Node) et le GGSN (Gateway GPRS Support Node), qui sont des routeurs paquet dotés de fonctionnalités dédiées à la gestion d’un réseau mobile. Par ailleurs, un troisième élément, le BG est rajouté et joue un rôle supplémentaire de sécurité dans l’interconnexion avec un autre réseau GPRS.

L’EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution) fonctionne sur les mêmes principes que ceux du GPRS à la différence qu’il propose des débits supérieurs par l’introduction d’une technique de modulation des symboles [7].

1.3 Présentation d’un réseau UMTS 1.3.1 Objectifs de la norme UMTS

La norme UMTS présente plusieurs avantages et offre divers services qui satisfassent mieux les besoins en services multimédia des utilisateurs. Les principaux objectifs que vise l’UMTS sont :

 Adjoindre des capacités multimédia haut débit pour les données.

 Proposer des services vocaux mais aussi des services de transmission de données.

1.3.2 Organisation fréquentielle

Le spectre de fréquence alloué à l’UMTS contient des bandes réservées à l’UMTS-FDD et d’autres à l’UMTS-TDD. On distingue :

 Deux bandes de fréquences attribuées à l’UMTS-FDD (Frequency Division Duplex). Ce mode utilise deux bandes de fréquences indépendantes, l’une pour transmettre et l’autre pour recevoir simultanément. La première allant de 1920 Mhz à 1980 Mhz pour la liaison montante et la deuxième de 2110 Mhz à 2170 Mhz pour la liaison descendante.

 Deux bandes de fréquences attribuées à l’UMTS-TDD (Time Division Duplex). La première allant de 1900 Mhz à 1920 Mhz et la deuxième de 2010 Mhz à 2025 Mhz [10].

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1.3.3 Architecture d’un réseau UMTS

Un réseau UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) est composé de deux sous réseaux comme l'illustre la Figure 4 : le réseau cœur 'Core Network' et le réseau d’accès 'UMTS Radio Access Network’ .

Figure 4 : Architecture globale d’un réseau UMTS [10]

1.3.3.1 Présentation des différentes entités du réseau UMTS a-

Le réseau cœur

Le réseau cœur de l’UMTS se subdivise en deux domaines de services comme le montre la figure ci-dessous :

(23)

Figure 5 : Architecture d’un réseau cœur de l’UMTS [10]

Comme tout réseau GSM intégré des fonctionnalités du GPRS, le réseau cœur de l’UMTS permet la connexion aux réseaux classiques et est composé de deux domaines de service :

o Le CS (Circuit Switched domain) pour la commutation de circuit o Le PS (Packet Switched domain) pour la commutation de paquets

Le CS est utilisé pour la téléphonie tandis que le PS est utilisé pour les données.

Ainsi les terminaux de troisième génération peuvent gérer simultanément une communication circuit et paquet. Cette notion de domaine permet de modéliser la notion de service dans le réseau cœur et donne la possibilité de créer ultérieurement d’autres domaines de service.

Le domaine CS comprend :

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o le MSC qui est un commutateur de données et de signalisation. Il est chargé de gérer l’établissement de la communication avec le mobile ;

o le GMSC qui est un MSC servant de passerelles entre le réseau UMTS et le RTCP (Réseau Téléphonique Commuté Public) ou PSTN ;

o le VLR qui est une base de données attachée à un ou plusieurs MSC. Il est utilisé pour enregistrer les abonnés d’une zone géographique appelée LA (Location Area).

Le domaine PS comprend :

o le SGSN qui est l’équivalent du MSC dans le domaine CS et qui assure le même rôle que le VLR dans le domaine PS, c'est-à-dire la localisation de l’abonné dans une zone géographique mais cette fois elle est appelée zone de routage ou RA (Routing Area) ;

o le GGSN qui a une fonction identique au GMSC pour la partie paquet du réseau en jouant le rôle de passerelle vers les réseaux à commutation de paquets extérieurs.

Ces deux domaines exploitent en commun un ensemble d’infrastructures à savoir :

o Le HLR qui est une base de données contenant les informations (identité de l’équipement usager, le numéro d’appel de l’usager, les services auxquels l’abonné à souscrire) relatives à l’ensemble des abonnés gérées par le réseau ;

o l’AuC qui est une base de données contenant les informations relatives à l’authentification des abonnés ainsi qu’au chiffrement de la communication ; o l’EIR qui est une base de données contenant les informations relatives aux

identités des terminaux mobiles utilisés dans le réseau. Elle permet l’interdiction d’accès aux mobiles volés ou douteux.

NB : Dans un réseau UMTS, le transcodeur TRAU (Transcoder Rate Adapter Unit) est placé dans le réseau cœur et non pas dans le réseau d’accès radio parce que lorsque l’on veut acheminer la parole par un réseau fixe qui gère des circuits de voix à un débit différent, il faut effectuer une opération de transcodage qui va s’opérer au plus près du point de jonction entre les deux réseaux.

(25)

BSS NSS Abis A

RNS Réseau cœur UMTS

Iub Iu

Figure 6: Liaison du Transcodeur avec le réseau cœur [10]

b- Le réseau d’accès UTRAN

Le réseau d’accès radio de l’UMTS est appelé UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). L’UTRAN est composé d’un ensemble d’infrastructures radio nommé RNS (Radio Network Subsystem). Il est doté de plusieurs fonctionnalités. Sa principale fonction est de transférer les données générées par les usagers. Il est une passerelle entre l’équipement usager et le réseau cœur via les interfaces Uu et Iu.

Par ailleurs, il est chargé d’autres fonctions :

 Sécurité : il permet la confidentialité et la protection des informations échangées par l’interface radio en utilisant des algorithmes de chiffrement et d’intégrité ;

 Mobilité : il permet à l’abonné de se déplacer au sein du réseau ;

 Gestion des ressources radio : le réseau d’accès est chargé d’allouer et de maintenir les ressources radio nécessaires à la communication ;

 Synchronisation : il est aussi en charge du maintien de la base de temps de référence des mobiles pour transmettre et recevoir des informations.

BTS BSC TRAU MSC/VLR GMS

C

RTC/

RNIS

NODE B RNC MSC/VLR TRAU GMSC

RTC/

RNIS

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Le réseau d’accès UTRAN est constitué d’un ou de plusieurs stations de base appelées Node B, et des contrôleurs du réseau radio appelé RNC (Radio Network Controller). Le schéma ci-dessous montre l’UTRAN et son interconnexion avec le Core Network.

Figure 7 : Architecture d’un réseau d’accès de l’UMTS [10]

 Le Node B

Il est équivalent à la BTS du GSM. Il peut gérer une ou plusieurs cellules du réseau d’accès de l’UMTS avec un équipement usager au niveau de la couche radio. Il inclut le récepteur CDMA qui convertit les signaux de l’interface Uu en flux de données acheminés au RNC sur l’interface Iub. De l’autre sens, le transmetteur CDMA convertit les flux de données reçus du RNC pour leur transmission sur l’interface Uu (interface air).

 Le RNC (Radio Network Controller)

Il constitue le point d’accès pour l’ensemble des services vis-à-vis du réseau cœur.

Son principal rôle est de router les communications entre le Node B et le réseau cœur. Il assure le mécanisme de handover et de macro-diversité.

(27)

L’UTRAN est composé de 4 interfaces radios qui permettent de faire dialoguer entre eux des équipements fournis par des constructeurs différents. Le tableau ci- après présente les interfaces entre différentes entités d’un réseau UMTS.

Tableau 1 : Tableau récapitulatif des interfaces de l’UMTS

Interfaces Localisation Description Equivalents GSM/GPRS

Uu UE-UTRAN

Interface radio qui permet au mobile de communiquer avec

l’UTRAN. Um

Iu

UTRAN- réseau cœur

Iu-CS permet au RNC de communiquer avec le MSC/VLR

A Iu-Ps permet au RNC de communiquer avec le SGSN Gb

Iub Node B-

RNC

Communication entre Node B

et RNC Abis

Iur RNC- RNC Communication entre deux

RNC Inexistant

NB : Dans le réseau UTRAN, l’on a la possibilité de connecter Node B et RNC de différents constructeurs ; donc l’interface Iub est ouverte à la différence de l’interface Abis qui est fermée en GSM.

Le schéma suivant montre différents types de cellules en fonction des environnements auxquels ils sont appliqués.

(28)

Figure 8 : Environnement d’utilisation des interfaces de norme UMTS [10]

 Une pico-cellule permet des débits de 2Mbit/s lors d’un déplacement de l’ordre de 10km/h (marche à pied, déplacement en intérieur, etc.)

 Une micro-cellule permet des débits de l’ordre de 384kbit/s lors d’un déplacement de l’ordre de 120 km/h (véhicule, transport en commun, etc.)

 Une macro-cellule permet des débits de l’ordre de 144 Kbit/s lors d’un déplacement de l’ordre de 500 km/h (Train à Grande vitesse, etc.).



Le soft handover et la macro-diversité

La technique d'accès CDMA (Code Division Multiple Access) permet d'établir plusieurs connexions entre un terminal mobile et les stations de base (les Node B) afin de maintenir la communication en cas de passage d'une cellule radio à une autre (dans le cas d'un handover). Un terminal mobile peut être connecté en même temps à deux ou plusieurs cellules radio et quand il passe d'une cellule à une autre, il libère la connexion avec l'ancienne cellule sans interrompre la communication. Ce mécanisme de handover est appelé soft handover et il est différent du mécanisme de hard handover. Dans le cas du hard handover, un mobile n’est connecté qu’à une seule cellule radio à un moment donné, et quand il passe d'une cellule à une autre, il coupe sa connexion avec l'ancienne cellule et établit une nouvelle connexion avec la nouvelle cellule.

Quand un mobile est en soft handover, il possède plusieurs connexions (legs) avec différentes cellules radio. Dans le sens montant, le terminal envoie les mêmes

(29)

informations sur les différentes connexions. Un mécanisme de recombinaison des flux est établi dans le RNC pour obtenir un seul flux sortant. Inversement, dans le sens descendant, le flux entrant dans le RNC est divisé en plusieurs flux identiques qui sont envoyés sur les différentes connexions. Ce mécanisme est appelé la macro- diversité (macro-diversity) qui est un principe d’après lequel tout mobile en communication maintient plusieurs liens radio avec différentes cellules. Si le terminal mobile a des connexions avec des cellules appartenant à un même RNC, la macro- diversité est établie dans ce RNC. Si le mobile est connecté à des cellules appartenant à deux RNC différents, un seul RNC (le Serving-RNC) garde le point d'interconnexion avec le réseau cœur. L'autre RNC joue le rôle du Drift-RNC. C'est le cas de la figure 9 où la macro-diversité est établie dans le S-RNC pour former un flux unique sortant vers le réseau cœur.

Sur le schéma de la figure 9, le terminal mobile est connecté à deux cellules appartenant à deux RNC différents. Le premier flux venant du terminal passe par l'interface lub qui relie le Node B au S- RNC. Le deuxième flux passe par une autre interface lub qui est reliée au D-RNC, il est acheminé dans le D-RNC sur l'interface Iur reliée au S-RNC. Dans le S-RNC, un mécanisme de recombinaison entre les deux flux est établi et un seul flux est envoyé sur l'interface lu vers le réseau cœur.

Quand le terminal quitte la première cellule, il coupe sa connexion directe avec le S- RNC et il garde une seule connexion qui passe par le D-RNC vers le S-RNC. Si le mobile s'éloigne du S-RNC, le nombre de D-RNC qu'il traverse augmente et le chemin vers le réseau cœur sera plus long, alors un mécanisme de relocalisation est mis en place. Le mécanisme de relocalisation consiste à changer le point d'interconnexion avec le réseau cœur et par suite changer le S-RNC.

(30)

Iu

Iur

Cellule Radio

Sens de Déplacement

Figure 9 : Schéma de soft handover et de macro-diversité

Lorsque l'UE s'éloigne du Node B contrôlé par le SRNC, il devient nécessaire que le RNC qui contrôle ce Node B ne soit plus le SRNC. L'UTRAN peut prendre la décision de transférer le contrôle de la connexion à un autre RNC. Cette procédure s'appelle "SRNS Relocation".



Le contrôle de puissance

Le WCDMA utilise un contrôle de puissance rapide en boucle fermée dans les sens montant et descendant. La procédure de contrôle de puissance constitue une procédure critique qui influe beaucoup sur la qualité de service et la capacité de réseau. L’objectif de cette procédure, est de lutter contre les effets des

CORE NETWORK

Iub

Node B Drift RNC

Node B

Iub Serving

RNC

Node B Node B

(31)

évanouissements à grande échelle sur le lien montant à l’aide d’un contrôle de puissance lent. Le contrôle de puissance rapide sur les deux liens permet de lutter contre les évanouissements à petite échelle (évanouissement de Rayleigh). En effet, la station de base estime le SIR (rapport Signal sur Bruit) à partir du signal reçu et commande la puissance d’émission du mobile, ceci sur le lien montant.

c- Equipement Usager

Il permet à l’utilisateur d’avoir accès au réseau par l’intermédiaire de l’UTRAN. On distingue toutefois :

 Le ME (Mobile Equipement) correspondant au terminal mobile

 La carte USIM (UMTS Subscriber Identity Mobile) qui est le module de gestion de l’identité. Son rôle est semblable à celui de la carte SIM en GSM.

Elle enregistre les identités de l'abonné telles que l’IMSI, le TMSI, les données de souscription, la clé de sécurité (Ki) et les algorithmes d'authentification et de génération de clé de chiffrement.

1.3.3.2 Classes de service en UMTS :

Nous définissons quatre classes de services en UMTS, représentées par le vocable anglais suivant : Conversational, Streaming, Interactive et Background .Nous pouvons différentier ces classes par leur sensibilité aux retards de transmission ; la plus sensible est la classe Conversational, la moins sensible est la classe Background.

- La classe Conversational qui permet aux conversations vocales de proposer une bande passante contrôlée avec échange interactif en temps réels avec un minimum de délai entre les paquets.

- La classe Streaming qui permet aux services de streaming de fournir une bande passante continue et contrôlée afin de pouvoir transférer la vidéo et l’audio dans les meilleures conditions.

- La classe Interactive destinée à des échanges entre l’équipement usager et le réseau comme la navigation internet qui engendre une requête et une réponse par le serveur distant.

(32)

- La classe Background, qui affiche la plus faible priorité, permet des transferts de type traitements par lots, qui ne demandent pas de temps réel et un minimum d’interactivité (envoi et réception de messages électroniques).

1.3.4 Gestion de l’interface Radio

L’interface radio de l’UMTS doit être conçue pour supporter une large gamme de services différents, avec notamment des débits supérieurs à ceux offerts par le système mobile de deuxième génération GSM. Les systèmes mobiles de troisième génération devront offrir des services à accès circuit ou paquet, avec un débit maximal dépendant de l’environnement et de la vitesse du mobile. Des services à débit variable et asymétrique (entre liaison montante et descendante) devront être supportés de façon efficace.

1.3.4.1

Architecture protocolaire de l’UTRAN

L’UTRAN signifie depuis la création du 3GPP, Universal Terrestrial Radio Access Network, cela pour refléter le caractère dorénavant mondial de la norme. On y retrouve l’approche modulaire qui domine l’UMTS, la signalisation étant séparée du transport des informations. Ce qui entraîne l’existence de deux catégories de protocoles à savoir :les protocoles du plan utilisateur (User Plane Protocols) et ceux du plan de contrôle (Control Plane Protocols). L’UTRAN comporte la strate d’accès.

Cette dernière est reliée aux autres strates par des points d’accès de services (Service Access Point). On distingue des services de contrôle communs, des services de contrôle dédiés à un utilisateur spécifique et enfin des services de notification pour diffuser des informations non pas à toute la cellule mais à des utilisateurs spécifiques.

On retrouve dans l’UTRAN la couche PHY, une couche MAC, une couche RLC, une couche d’adaptation des données, le PDCP (Packet Data Convergence Protocol) et une entité transverse, le RRC (Radio Ressource Controller) qui contrôle le tout. La couche BMC (Broadcast Multicast Control), non fiabilisée dans la release 99 du standard, traite des services de diffusion dans une cellule ou un ensemble de

(33)

cellules. Ces couches recouvrent les couches 1 et 2 du modèle de référence de l’OSI, même si certaines fonctions du RRC peuvent être rattachées à la couche 3.

On retrouve dans cette architecture les deux plans de protocoles, le plan utilisateur pour lequel les données traversent les couches PDCP, RLC, MAC et PHY.

Et le plan de contrôle, auquel appartient le RRC. Les canaux logiques et de transport entre autres, représentent des points d’accès de services rendus par les couches inférieures aux couches supérieures.

Couche 1 : Cette couche PHY représente la couche physique de l’interface radio qui réalise les fonctions de codage, décodage, modulation et entrelacement via W-CDMA.

Couche 2 : Cette couche est divisée en plusieurs sous couches

 La sous-couche MAC (Medium Access Control) a pour rôle de multiplexer les données sur les canaux de transport radio.

PHY MAC RRC

BMC

RLC RLC

RLC PDCP

L1 L3 L2-PDCP L2-BMC

L2-RLC

Canaux logiques L2-MAC

Canaux de transport

Contrôle Contrôle Contrôle Contrôle Contrôle Contrôle

Contrôle

Plan de contrôle Plan utilisateur

Figure 10 : Architecture en couche de l’UTRAN

PDCP

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 La sous-couche RLC (Radio Link Control) permet la fiabilité du transport des données entre deux équipements du réseau.

 La sous-couche PDCP (Packet Data Convergence Protocol) permet de compresser les données via des algorithmes de compression. Cela permet d’exploiter plus efficacement les ressources radio. De plus, cette sous-couche PDCP a aussi pour rôle de rendre indépendant les protocoles radio du réseau d’accès UTRAN (sous-couches MAC et RLC) par rapport aux couches de transport réseau. Ce type d’architecture permettra l’évolution future des protocoles réseau sans modifier les protocoles radio de l’UTRAN.

 La sous-couche BMC (Broadcast / Multicast Control) est en charge d’assurer les fonctions de diffusion de messages sur l’interface radio.

Couche 3 : Cette couche RRC (Radio Ressource Control) gère la connexion de signalisation établie entre le réseau d’accès UTRAN et l’équipement usager, utilisée lors de l’établissement ou de la libération de la communication.

1.3.4.2 Les techniques d’accès radio :

L’un des aspects essentiels des réseaux cellulaires est la technique d’accès multiple adoptée pour l’interface radio entre l’équipement usager et la station de base. La technique choisie doit diviser de manière optimale, le spectre radioélectrique disponible en un certain nombre de canaux, et définir comment ces canaux sont alloués aux nombreux usagers accédant au réseau. Les techniques d’accès multiples en communication radio mobile sont classées en trois catégories : FDMA (Frequency Division Multiple Access) est le mode d’accès multiple le plus utilisé, TDMA (Time Division Multiple Access) est un mode d’accès qui se base sur la répartition de ressources dans le temps, CDMA (Code Division Multiple Access) est basée sur une répartition par codes.

L’interface radio de l’UMTS est basée sur le WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), qui se repose largement sur le concept CDMA. Il est assez différent de l’interface air utilisé dans les réseaux GSM. Les exigences en qualité sont beaucoup plus élevées dans les réseaux UMTS par rapport aux réseaux GSM.

(35)

Afin de comprendre les concepts du W-CDMA, il est important de comprendre la technique du CDMA.

1.3.4.3 CDMA

La technique CDMA permet à plusieurs liaisons élémentaires d’occuper en même temps la même bande de fréquence. Cette cohabitation est rendue possible grâce à l’emploi d’une modulation à étalement de spectre. L’étalement de spectre rend le signal moins sensible aux fluctuations sélectives en fréquence. Le signal est ainsi transmis sur une bande de fréquences beaucoup plus large que la bande de fréquences nécessaires.

1.3.4.3.1 Principe de l’étalement de spectre

La propriété de l’accès multiple CDMA est assurée par le codage : à chaque utilisateur est associé un code unique utilisé pour encoder le signal d’information qu’il veut transmettre, le récepteur qui connaît le code utilisé par l’utilisateur, peut décoder le signal reçu et récupérer l’information transmise. Comme la bande du code utilisé est plus large que celle du signal porteur de l’information, le processus d’encodage élargit le spectre du signal transmis, pour cela, la technique CDMA est appelée aussi accès multiples par étalement de spectre. La figure 11 montre comment s’effectue

(36)

l’étalement d’un signal à bande étroite:

Figure 11 : Synoptique de l'étalement [7]

Pour récupérer l'information, le récepteur doit effectuer l’opération suivante : il génère la même séquence d'étalement générée par l’émetteur et la multiplie au signal reçu ; les données codées par cette séquence sont restaurées (puissance spectrale augmentée) alors que les données des autres utilisateurs restent étalés et les brouilleurs dus au canal sont étalés.

(37)

Figure 12 : Etalement et désétalement du signal de deux utilisateurs [7]

Ceci permet de diminuer le niveau de bruit pour le signal en bande de base : plus l'étalement est important, plus les interférences sont éliminées.

Figure 13 : Réduction des brouilleurs [7]

1.3.4.3.2

Codes d’étalement

Pour éviter toute interférence avec les codes des différents utilisateurs et différencier des canaux distincts, on se sert des codes orthogonaux appelés codes

(38)

CDMA OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor Code). L'utilisation de ces codes permet de modifier le facteur d'étalement et de maintenir l'orthogonalité des différents codes d'étalement même si ces derniers sont de longueur différente. Ils viennent d'une famille de codes orthogonaux au sens de la corrélation. Ils peuvent être définis par un arbre générateur tel qu'une racine engendre 2 branches. Les codes portés par ces deux branches sont issus du code de la racine. En effet, le code d'une branche est composé par le code de la racine et de son complémentaire.

Ce principe permet ainsi de générer l'arbre des codes OVSF utilisés pour UMTS, aussi regroupés sous la forme de la matrice de Hadamard.

Figure 14 : Code d’étalement [7]

Le SF est de la forme 2^k, et varie d’une façon générale de 4 à 256 pour les canaux montants et de 4 à 512 pour les canaux descendants.

L’arbre ci-dessus nous montre la relation entre le facteur d’étalement et le nombre de codes disponibles pour un étalement donné. Il est important de savoir que le facteur d’étalement SF détermine la longueur du code. Les codes OVSF présentent certaines limites. Au sein d’une même cellule, ces codes ne peuvent pas être tous utilisés simultanément ; car ils ne sont pas tous orthogonaux entre eux. Le code d’une branche est fortement lié à celui de sa racine et de ses fils, ce qui empêche de

(39)

les utiliser simultanément. Ainsi lorsqu’un code est alloué, tous les codes issus de ces branches ne peuvent pas être utilisés.

Figure 15 : Contrainte sur code d’étalement [7]

1.3.4.4 WCDMA

Le WCDMA se base largement sur le CDMA, utilisant une bande passante plus large ; ce qui permet d'accroître le débit total de transmission. Pour optimiser les ressources radio, il propose deux modes de fonctionnement, selon le type de multiplexage le FDD (Frequency Division Duplex) et le TDD (Time Division Duplex).

De plus, outre l'étalement (channelisation), le WCDMA applique une autre opération essentielle, le brouillage (Scrambling), que nous verrons par la suite.

Dans le mode FDD, deux bandes passantes de 5 MHz sont utilisées, l’une pour le sens montant (uplink), l’autre pour le sens descendant (downlink). Le débit maximal supporté par un seul code est de 384 Kbit/s. Afin de pouvoir supporter un débit de 2Mbit/s, plusieurs codes sont nécessaires.

(40)

Figure 16 : Mode FDD [9]

Le multiplexage de type TDD n’utilise qu’une seule bande passante de 5MHz pour les deux sens divisée en portion de temps (time slot). Elle comprend donc une composante TDMA (Time Division Duplex Access) en plus de la séparation par code.

Cela permet d’obtenir une gamme de débits de services en allouant plusieurs codes ou plusieurs intervalles de temps à un utilisateur.

Figure 17 : Mode TDD [9]

Scrambling

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Cette opération effectuée par l'émetteur permet de séparer les différents signaux d'un même terminal ou d'une même station de base. Réalisée juste après l'étalement, elle ne modifie pas la bande passante ni le débit, elle se limite à séparer les différents signaux les uns des autres. Ainsi, l'étalement peut être effectué par plusieurs émetteurs avec le même code de channelisation sans compromettre la détection des signaux par le récepteur. Le Scrambling fait appel aux codes de Gold.

Notons qu'il existe un arbre de codes de channelisation pour chaque code de Scrambling. Cela signifie que différents émetteurs peuvent utiliser leurs arbres de codes indépendamment.

Figure 18 : Principe du Scrambling

Le tableau 2 illustre l’utilité de ces deux codes pour chaque sens d’une communication.

Tableau 2 : Comparaison entre code OVSF et Scrambling code

Fonctionnalité Code d’étalement Code de Scrambling

Famille de codes

OVSF Gold

Données

Code de canalisation

Code de Scrambling

Débit binaire Débit chip Débit chip

(42)

Utilisation Débit montant : Séparation des canaux de données d’un même terminal.

Débit descendant : Séparation des connexions des différents utilisateurs d’une même cellule.

Débit montant : Séparation des terminaux.

Débit descendant : Séparation des cellules

1.4 Différents Release en UMTS

Avec la standardisation de l'UMTS dans le contexte du 3GPP, deux remarquables tendances ont émergé en influant fortement les réseaux UMTS. La première tendance est l'évolution vers une architecture UMTS tout IP basée sur la spécification R00 (Release 2000) qui a remplacé les technologies en mode circuit par une commutation en mode paquet. Cette spécification a également introduit le support des applications multimédia dans le cœur du réseau UMTS [7, 11].

En effet, dans le domaine des réseaux mobiles, il est prévu que le système UMTS, dans sa deuxième phase, évolue dans sa globalité vers une architecture type réseaux de nouvelle génération (NGN: Next Generation Network), tant sur le plan de l'architecture physique que pour le choix des protocoles. Cette partie se focalise sur les évolutions au sein du cœur de réseau tout en passant en revue les différentes spécifications ou releases définies par les groupes de normalisation le 3GPP et l'ETSI.

1.4.1 UMTS Release 99

La Release 99 est l’héritage du GSM /GPRS. L’architecture UMTS telle que décrite dans la release 99 du 3GPP s’appuie sur une nouvelle interface radio, l’UTRAN, et une évolution des cœurs réseaux GSM et GPRS (adaptation des équipements existant ou nouveaux équipements) pour gérer les flux des domaines circuit et paquet.

L’architecture UMTS R99 (R3) propose :

- Les interfaces de l’UTRAN avec le cœur de réseau sont basées sur un transport ATM (AAL2 pour la voix, AAL5 pour les données).

(43)

- Le transport dans le cœur de réseau peut ensuite être effectué (au choix de l’opérateur) soit en ATM pour l’ensemble des flux, soit en ATM puis TDM pour les flux circuit et en IP pour les flux paquet. La signalisation à l’interface avec l’UTRAN est transportée soit dans des circuits virtuels ATM, soit avec le protocole de transport de SS7 sur IP appelé SIGTRAN.

- Les appels multimédias sont supportés, mais de manière transparente. En effet, les messages de signalisations multimédias sont transportés de manière transparente dans une connexion circuit ou dans un contexte PDP (tunnel GTP entre SGSN et GGSN), ce qui évite d’introduire des fonctions multimédias dans les équipements GSM et GPRS, limitant les impacts aux terminaux et à l’ajout de serveurs multimédia (gatekeepers).

La R99 prépare donc l’évolution vers la solution cible tout IP en introduisant dès les débuts de l’UMTS un transport convergent des flux voix et données.

1.4.2 UMTS Release 4(R4)

Conformément à l’un des concepts de base des NGN, la version R4 de la norme UMTS prévoit une évolution optionnelle du domaine circuit, sous la forme d’une restructuration fonctionnelle des MSC pour introduire une séparation des couches transport (Media Gateway) et contrôle d’appel (MSC server). En effet, la station mobile est inchangée; elle offre les mêmes services et les mêmes capacités que dans la R3. La R4 présente des avantages pour le réseau de base en termes de réduction des coûts, de flexibilité et d’évolution.

La réduction des coûts provient d’IP ou d’ATM qui sont des technologies de transport multiservice ignorant les limites des réseaux TDM (Time Division Multiplexing) à 64 kbit/s et qui permettent donc d’optimiser les débits en fonction du service. Dans la R4, la voix est transportée sur IP dans le réseau de base uniquement. C’est la R5 qui traite de cette évolution qui permet l’établissement de sessions multimédia et pas seulement de voix, un transport de bout en bout sur IP, et une offre de services associée.

1.4.3 UMTS Release 5(R5)

(44)

La release R5 introduit un nouveau domaine, l’IMS (IP Multimédia Subsystem), s’appuyant sur les services du domaine paquet pour fournir des services de communications convergents (voix sur IP, données, multimédia…) en IP natif. Ainsi, les communications multimédias ne sont plus supportées de manière transparente mais deviennent le mode de communication cible de l’UMTS. Ce n’est que pour des raisons de compatibilité avec les réseaux GSM/GPRS et UMTS R99 et avec les terminaux non IP multimédia que le domaine circuit (MSC servers et MGW associées) est maintenu. En terme de gestion de la mobilité, le HSS UMTS est chargé de la mise à jour du profil utilisateur, et peut intégrer ou coopérer avec des entités standards dans le monde IP, comme un serveur distant d’authentification et d’autorisation (RADIUS) ou un serveur gérant la résolution d’adresse et l’allocation dynamique d’adresse IP (fonctions DNS et DHCP).

1.4.4 UMTS Release 6(R6)

La release 6 introduit l’inter fonctionnement du réseau cœur UMTS avec le WLAN et l’inter opérabilité avec d’autres technologies de réseau d’accès sans fil. En effet, le WLAN, historiquement conçu pour supporter des services de données IP, pourrait permettre grâce à l’utilisation du protocole IP fédérateur et notamment à ses fonctions « Mobile IP », de mettre en œuvre un inter fonctionnement des services avec les réseaux GPRS, et ultérieurement UMTS, qui offrent des services identiques en mobilité étendue.

1.4.5 UMTS Release 7(R7)

La release 7 introduit quant à elle le concept AIPN « All-IP-Network ». En effet, ce concept prévoit l’intégration des réseaux d’accès à un réseau cœur tout IP. Elle permet aussi d’offrir un ensemble de services indépendamment des réseaux d’accès.

La release 7 a par ailleurs introduit le NDS (Network Domain Security) qui, associé aux protocoles de mobilité, permet aux utilisateurs d’effectuer une mobilité transparente et sécurisée.

1.5 Apports techniques de l’UMTS tout IP

(45)

Dans ses spécifications, le 3GPP a défini les releases 4 et 5 qui proposent que la technologie IP puisse être une alternative à ATM. Pour cela, à travers ces releases, il a défini une nouvelle architecture du cœur de réseau UMTS tout IP en introduisant le sous-système IP multimédia (IMS) et de nouveaux éléments tels que le serveur MSC, le média Gateway (MG), le CSCF (Call State Control Function), le Signalling Gateway (SG), le MGCF (Media Gateway Controller Function) et le HSS (Home Subscriber Server) dont les principales fonctions seront vues en détail dans la suite de cette partie. Ainsi, la release 5 de l'UMTS a défini une architecture du réseau cœur divisée en trois domaines.

 Le domaine paquet

Le domaine paquet ou Packet Switched (PS) est une évolution du GPRS. Il offre les supports pour les applications basées IP.

 Le domaine circuit

Encore appelé Circuit Switched (CS), il est l'évolution du GSM notamment du NSS (Network Subsystem). Il offre les supports des services circuit (par exemple la voix).

 Le sous-système multimédia (IMS)

L'IMS est une innovation dans la release 5 de l'UMTS. Il a pour fonctions principales:

– Fournir les services en mode circuit classique (la VoIP) ainsi que les applications multimédia.

– Il utilise le protocole SIP (Session Initiation Protocole) dans le cœur du réseau pour l'établissement, le maintien et la terminaison des sessions (voix/multimédia) et comme protocole de contrôle d'appel.

(46)

Figure 19 : Le sous-système IP multimédia (IMS) [6]

La définition de l'IMS permet d'introduire de nouveaux éléments dans le cœur du réseau UMTS [6, 7]. Ces éléments sont:

– Le MSC Server: il contrôle et gère tous les appels provenant du terminal mobile en mode circuit. Il interagit avec le MGCF (Media Gateway Controller Function) en vue d'effectuer le contrôle des appels. La release 4 a défini une double fonctionnalité dans le MSC: la gestion des appels et des services est maintenue dans le MSC Server (MSC-S) et le MSC- Transport (MSC-T) permet le transport des paquets via des routeurs IP (MG: Media Gateway).

– Les Media Gateway (MG): Ils jouent un rôle très important. Ils assurent non seulement l'acheminement du trafic, mais aussi l'inter fonctionnement avec les réseaux externes et avec les divers réseaux d'accès en réalisant la conversion, le codage et la mise en paquets du flux média reçu du RTC et vice- versa (conversion du trafic TDM/IP). Ils assurent aussi la transmission, suivant les instructions du Média Gateway Controller des flux média reçus de part et d'autre et la conversion de la signalisation associée (entité fonctionnelle Signalling Gateway).

– Le Signalling Gateway (SG): la fonction Signalling Gateway est de convertir la signalisation échangée entre le réseau UMTS et le réseau

(47)

externe inter connecté selon un format compréhensible par les équipements chargés de la traiter, mais sans l'interpréter (ce rôle étant dévolu au média gateway controller). Notamment, elle assure l'adaptation de la signalisation par rapport au protocole de transport utilisé (exemple:

adaptation TDM/IP). Il est important de noter que le MG et le SG sont aussi des entités fonctionnelles séparées, cependant elles sont souvent implémentées physiquement dans le même équipement.

– Le CSCF (Call State Control Function): c'est un serveur SIP dans les futurs réseaux. Il effectue le contrôle d'appel multimédia en mode paquet (entre MG et SGSN) et en mode circuit (entre deux MG), et dialogue avec le MGCF à l'aide de SIP.

– Le MGCF (Media Gateway Controller Function): il assure le contrôle des média gateways qui lui sont rattachés; avec le protocole H.248 il fait la translation de SIP utilisé dans le domaine multimédia de l'UMTS et la signalisation ISUP du PSTN.

– Le HSS (Home Subscriber Server): c'est une évolution de la base de données HLR (Home Location Registration) pour incorporer la gestion du profil de services IP multimédia de l'utilisateur (fonction serveur UMS (User Mobility Server)). En terme de gestion de la mobilité, le HSS UMTS est chargé de la mise à jour du profil utilisateur, et peut intégrer ou coopérer avec des entités standards dans le monde IP, comme un serveur distant d'authentification et d'autorisation (RADIUS) ou un serveur gérant la résolution d'adresse et l'allocation dynamique d'adresse IP (fonctions DNS et DHCP).

1.6 Types de migration vers l’UMTS

Pour le déploiement d’un réseau UMTS on dispose de deux approches à savoir : l’approche intégrée et l’approche overlay.

1.6.1 Approche intégrée

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Cette approche consiste à actualiser le réseau de base GSM/GPRS, et à le réutiliser avec les mêmes entités de commutation (MSC) et de routage (SGSN) pour les deux interfaces radio GSM et UMTS.

 Le nouveau réseau d’accès UTRAN est reliée par l’interface Iu-CS au MSC (actualisé avec une nouvelle interface ATM et les nouveaux protocoles de signalisation ; il est appelé 3G MSC).

 Elle est rattachée par l’interface Iu-Ps au SGSN (actualisé avec une nouvelle interface ATM et les nouveaux protocoles de signalisation ; il est appelé 3G SGSN).

Cette approche permet la réutilisation des systèmes de gestion existants et des sites de commutation, mais le rattachement d’une nouvelle technologie radio non encore complètement maîtrisée à un réseau existant peut poser des problèmes de capacité, de performance et de stabilité. La figure suivante montre l’architecture d’un réseau intégré.

Figure 20 : Architecture d’un réseau 3G intégré [20]

1.6.2 Approche overlay (recouvrement)

Cette approche consiste à utiliser un autre réseau de base constitué des entités de commutation 3G MSC et des entités de routage 3G SGSN pour supporter