1. UMTS U niversal M obile T elecommunications S ystem Cynapsys Software Engineering, M ars 2010 Par : Lassaad ELAABIDI Grow with us

2. Plan 1. Introduction à l’UMTS 2. Architecture de l’UMTS 3. L’UTRAN: la grande innovation de l’UMTS 3.1. Architecture 3.2. Fonctionnalités 3.3. Gestion de mobilité 3.4. Innovations 3.5. Bandes de fréquences 4. Standards GSM/GPRS/EDGE/UMTS 5. Conclusions

3. Introduction à l’UMTS (1/3) Définition L’ UMTS est l’acronyme d' U niversal M obile T elecommunications S ystem S ystème U niversel de T élécommunications M obiles - Les systèmes 1G et 2G étaient considérés comme des systèmes de téléphonie mobile - Système 3G: passage de la téléphonie à la télécommunication - Apparition de services multimédia à tout instant et en tout lieu: Offrir une large gamme de services, intégrant la voix, les données et les images - Depuis 1998: une norme universelle des travaux de standardisation qui s’effectuent au sein du 3GPP ( Third G eneration P artnership P roject) - Groupe rassemblant les organismes de standardisation Européen , Japonais , Américain , Sud-coréen et depuis 1999 Chinois . Historique Fut initié par l’Europe à la fin des années 1980  maintenant poursuivi à l’échelle mondiale

4. Introduction à l’UMTS (2/3) - 2001: Testé pour la première fois en Europe - 2002: Testé à l’île de Man (un territoire Britannique) et à Monaco (petites îles et îlots Français de l’océan Indien) - Octobre 2001 au Japon: a eu lieu le déploiement commercial du système FOMA (Freedom of Mobile Multimedia Access: 3 ième génération au Japon) fondé pour l’essentiel sur les spécifications techniques de l’UMTS - Mars 2003: eurent lieu les premiers déploiements commerciaux de l ’ UMTS en Europe (Grande-Bretagne et Italie)

5. Introduction à l’UMTS (3/3) Objectif  Assurer la continuité avec les services actuels de téléphonie mobile, mais aussi de supporter de nouveaux services de transmission de données en paquet ,à haut débit ,avec différentes qualités de service (QoS) pour des systèmes mobiles d’accès à l’Internet  Créer un système cellulaire de 3G utilisant la technologie CDMA large bande (W-CDMA) et permettant l’interopérabilité avec le GSM et ses évolutions ( HSCSD , GPRS et EDGE ) HSCSD: H igh S peed C ircuit S witched D ata: Spécification finalisée en 1999: par Nokia - Technologie permettant à un utilisateur d'utiliser plusieurs slots d'affilée contrairement au TDMA (temps divisé en slots (période donnée): possibilité d’allouer plus d’un time slot à un abonné dans la limite des 8 slots disponibles: 115.2 kbps (8 x 14.4 kbps théorie) (38.4 kbps en pratique) - En GSM, un mobile dispose d'un slot pour respectivement émettre ou recevoir, puis doit attendre 7 slots avant de pouvoir émettre ou recevoir des données

6. Architecture de l’UMTS (1/14) Domaine du réseau cœur (CN) Module d'identité des services de l’usager (USIM) Equipement mobile (ME) Domaine du réseau d'accès (UTRAN) Le système UMTS est modélisé à partir de deux points de vue: physique et fonctionnel Architecture physique Architecture Physique Domaine de l'équipement usager (UE) Domaine de l'infrastructure

7. Architecture de l’UMTS (2/14) UMTS Core Network

8. Architecture de l’UMTS (3/14) EIR HLR AUC Group of the common elements MSC MSC GMSC Circuit Switched (CS) domain SGSN SGSN GGSN Protocol Switched (PS) domain

9. Architecture de l’UMTS (4/14) UMTS Terrestrial Radio Access Network: UTRAN

10. Architecture de l’UMTS (5/14) UTRAN RNC RNC NODE B NODE B Radio Network Controller

11. Architecture de l’UMTS (6/14) Architecture physique PLMN : P ublic L and M obile N etwork: R éseau T errestre M obile P ublic ( RTMP ) PSDN : P ublic S witching D ata N etwork: R éseau T éléphonique C ommuté Public ( RTCP ) MGW : M edia G ate W ay; unité de traduction entre les réseaux de télécommunications disparates Facturer certains services d’interconnexion en fonction de la capacité ( CBC - C apacity B ased C harging) plutôt qu’en fonction de la durée des communications

13. Architecture de l’UMTS (8/14) Environnement 3G et terminaux multi-mode (UMTS Forum) Pourquoi la composante satellitaire? Les segments de marché potentiels « verticaux » sont: • Mobiles embarqués: voiture haute gamme avec ordinateur de bord (communication, navigation , …) et interface PC, souvent hors couverture , • Véhicules commerciaux: légers et lourds souvent en roaming hors couverture, • Industrie primaire: pétrole, gaz et mineraie … impliquant des sites reculés, • Maritime: pêche, commerce, plaisance ayant besoin de service multimédia , • Aéronautique: service multimédia aux passagers et à l’équipage, • Média: journalistes souvent en déplacement, • Santé: administration des premiers soins dans une ambulance (télémédecine), • Support large bande de secour: lorsque le réseau fixe n’est pas disponible (pour multimédia)

14. Architecture de l’UMTS (9/14) Le domaine de l’équipement usager (UE) comprend tous les équipements terminaux: 1. Equipement mobile (ME) : les mobiles UMTS ne seront plus de simples téléphones, mais des terminaux multimédia capables d’offrir simultanément des services de transmissions de données, d’audio et de vidéo en tout lieu et en tout moment - Les téléphones mobiles UMTS combinent:  Avantages des communications mobiles et fonctions multimédia - UMTS compatible avec d’autres équipements où intègre leurs fonctions:  PDA (Personal Digital Assistant), Microsoft CE, Station mobile JAVA, Agenda électronique, PC fixe/portable , … - Mobiles UMTS multi-mode pour profiter de la couverture d’autres systèmes existants:  GSM, DECT ( D igital E nhanced C ordless T elephone :norme de téléphonie sans fil numérique ), D-AMPS ( D igital A dvanced M obile P hone S ystem ), ... 2. Universal Subscriber Identity Module (USIM) : Il s’agit d’une carte à puce, version améliorée de la SI M (cas GSM) , dédiée à la téléphonie 3G.

15. Architecture de l’UMTS (10/14) Téléphonie, Données, Vidéo/TV délivrées par les réseaux 3G Mobiles triple fonctionnalités Evolution technologique et diversité des appareils Palette des applications mobiles en croissance

16. Architecture de l’UMTS (11/14) Le domaine de l’infrastructure comprend: 1. Le domaine réseau d’accès (UTRAN) propose les fonctions permettant d’acheminer les informations (trafic de données et trafic de signalisation) depuis l’utilisateur jusqu’au réseau cœur - Fournir à l’équipement usager les ressources radio et les mécanismes nécessaires pour accéder au cœur du réseau (CN) 2. Le domaine du réseau cœur (CN: Core Network) regroupe les fonctions permettant: - La gestion des appels - L’itinérance (roaming): c’est le passage du réseau d’un opérateur à un autre: décrit la faculté de pouvoir appeler ou être appelé quelle que soit sa position géographique - La sécurité - La communication avec les réseaux externes (Internet, RTCP, RTMP,…)

17. Architecture de l’UMTS (12/14) 2. Le domaine du réseau cœur (CN: Core Network)  Il permet à l’usager de communiquer à l’intérieur d’un même réseau de téléphonie mobile et assure l’interconnexion de ce dernier avec des réseaux internes ou externes, fixes ou mobiles, numériques ou analogiques Ce réseau cœur est une évolution de ce qui existant déjà pour le GPRS

18. Architecture de l’UMTS (13/14) Interfaces dans UMTS ME : M obile E quipment USIM : U niversal S ubscriber I dentify M odule RNC : R adio N etwork C ontroller UE : U ser E quipment UTRAN : U MTS T errestrial R adio A ccess N etwork CN : C ore N etwork Liaison Interface ME – USIM Cu RNC – Nœud B Iub RNC A – RNC B Iur UE – UTRAN Uu UTRAN – CN Iu

19. Architecture de l’UMTS (14/14) Architecture fonctionnelle Se modélise par strates définissant la façon dont les trois domaines communiquent entre eux (UE, UTRAN,CN) Strate d’Accès Fonctions propres au transport de l’information entre la partie terminale mobile (UE) et le nœud du réseau cœur (CN) Strate de non Accès Ensemble des protocoles permettant l’échange d’information entre l’équipement usager (UE) et le réseau cœur (CN) indépendamment du réseau d’accès UTRAN

20. L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS (1/12) L’ UTRAN: U MTS T errestrial R adio A ccess N etwork R éseau d’ A ccès R adio T errestre U niversel Architecture de l’UTRAN Le sous-système du réseau radio (RNS: Radio Network Sub-System) : Réseau d’Accès Radio: composé d’un ou plusieurs nœuds B (Stations de base) et du RNC ( R adio N etwork C ontroller) 1. Le nœud B : communication radio entre les équipements usagers (UE) et l’UTRAN: Gestion de la couche physique: entrelacement, égalisation, codage et décodage canal pour la correction d’erreurs, de l’adaptation du débit et de la modulation QPSK, contrôle de puissance,… Remarque: RNS : équivalent au BSS (sous système radio: BTS (eq. Nœud B )+ BSC (eq. RNC )) de celui du GSM

21. L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS (2/12) Architecture de l’UTRAN 2. Contrôleur du réseau radio (RNC: Radio Network Controller) : regroupe les fonctionnalités de niveau 2 et 3 du modèle OSI - Contrôle de puissance - Contrôle du Handover (changement du canal physique lorsqu’on se déplace: passage d’une cellule à une autre) - Contrôle de l’admission des mobiles au réseau et la gestion de la charge - Allocation des codes CDMA - Séquencement de la transmission de données en mode paquet

22. L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS (3/12) Architecture de l’UTRAN 2. Contrôleur du réseau radio (RNC: Radio Network Controller) - Combinaison/distribution des signaux provenant ou allant vers différents nœuds B dans une situation de macrodiversité (un UE peut communiquer simultanément avec plusieurs nœuds B)  La macrodiversité permet d’augmenter significativement la qualité lors des communications et permet le soft-handover ; lors du passage d’une cellule à une autre, il n ’y a plus aucune interruption de la communication, grâce au CDMA )  Selon son rôle fonctionnel, le RNC est dénommé C RNC ( C ontrolling ), S RNC ( S erving ) ou D RNC (Drift: déplacement progressif). En général un même équipement RNC peut réaliser ces trois rôles. GSM UMTS 5 1 6 4 2 3 5 7 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

23. L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS (4/12) Architecture de l’UTRAN Node B RNC NOKIA

24. L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS (5/12) Fonctions de l’UTRAN - Fonction principale : échange d’informations entre le terminal mobile et le réseau cœur - Fonctions liées au contrôle et à la gestion des ressources radio : allocation et maintien des ressources radio nécessaires à la communication - F onctions liées à l’accès au réseau : permettent de gérer l’admission, le contrôle de la congestion du réseau et de la diffusion des informations système

25. L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS (6/12) Fonctions de l’UTRAN - Fonctions liées à la sécurité : gèrent la confidentialité et la protection des informations échangées par l’interface radio en appliquant les algorithmes de chiffrement et d’intégrité - Fonctions liées à la mobilité : regroupent tout ce qui est Handover, relocalisation du SRNS, estimation de la position géographique - Synchronisation : l’UTRAN est en charge du maintien de la base de temps de référence dans chaque cellule sur laquelle tout terminal mobile doit s’aligner pour transmettre et recevoir des informations.

26. L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS (7/12) Gestion de la mobilité Elle ne revient plus au réseau cœur (CN), mais au SRNC, qui est en charge de suivre les déplacements de l’UE à la cellule près lorsque la connexion est établie entre l’ UTRAN et l’ UE ( U ser E quipment) - Pour identifier les données émises par un UE et gérer sa mobilité, l’UTRAN utilise trois identificateurs pour associer un UE à un SRNC, CRNC et DRNC unique et un identificateur pour l’identifier de façon unique dans l’UTRAN.

27. L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS (8/12) Bandes de fréquences dans l’UTRAN L’UTRAN utilise deux modes d’accès fondés sur la technologie CDMA large bande: - L’ UTRA/FDD ( U niversal T errestrial R adio A ccess/ F requency D uplex D ivision) - L’ UTRA/TDD ( U niversal T errestrial R adio A ccess/ T ime D uplex D ivision) UTRA/TDD UTRA/FDD Mode d’accès TDMA/CDMA FDMA/CDMA Technique d’accès multiple TDD FDD Mode de duplexage 5000 5000 Séparation entre porteuses (kHz) 1900 – 1920 (VM et VD) 2010 – 2025 (VM et VD) 2110 – 2170 (VD) 1920 – 1980 (VM) Spectres de fréquences (MHz)

28. L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS (9/12) Les innovations - Définition de 4 nouvelles interfaces ( Uu, Iu, Iur, Iub ): interfaces ouvertes (compatibilité avec équipements de multiples constructeurs) - Elles ont leurs équivalents en GSM [ Uu=Um; Iu=A; Iub=Abis ] sauf l’ Iur qui permet à deux RNC de communiquer entre eux; ce qui est nécessaire au CDMA - Utilisation du CDMA ( C ode D ivision M ultiple A ccess): Technologie d’accès radio dont l’avantage est de faire appel à une procédure de macrodiversité qui ne peut exister dans les systèmes de type TDMA (cas de GSM) Utilisant une technique d’étalement de spectre permettant de diffuser un signal radio sur une grande gamme de fréquence  fournir un débit bien supérieur à celui obtenu jusqu’à présent .

29. L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS (10/12) Les innovations - L’ ATM ( A synchronous T ransfer M ode) fut choisi comme technologie de transport via les interfaces Iu (UTRAN-CN), Iub (RNC-Node B), Iur (RNC A-RNC B) car elle est particulièrement adaptée à l’intérieur du réseau dans lesquels le flot d’information varie  Pour l’UMTS, cela est très utile au vue de la quantité de différents services offerts (IntServ, DiffServ, MPLS ( MultiProtocol Label Switching : mécanisme fournissant un service unifié de transport de données en utilisant une technique de commutation de paquets),…) - La gestion de la mobilité indépendamment du réseau cœur rend plus efficace la gestion des ressources radio et minimise les échanges de signalisation entre le mobile et le réseau cœur  Introduction du concept d’ URA ( U TRAN R egistration A rea: zone géographique couverte par un certain nombre de cellules qui n’est connu que de l’ UTRAN ).

32. Standards GSM/GPRS/EDGE/UMTS (1/3) Débits GSM/GPRS/EDGE/UMTS Le débit est différent suivant le lieu d'utilisation et la vitesse de déplacement de l'utilisateur: En zone rurale : 144 kbps pour une utilisation mobile (voiture, train, etc...) En zone urbaine : 384 kbps pour une utilisation piétonne Dans un bâtiment : 2 000 kbps depuis un point fixe Débit Rôle Génération Standard Réel Théorique 9.6 Kbps 9.6 kbps Permet le transfert de voix OU de données numériques de faible volume 2G GSM 48 kbps 21.4 – 171,2 Kbps Permet le transfert de voix OU de données numériques volume modéré 2.5G GPRS 171 kbps 43.2 – 384 kbps Permet le transfert simultané de voix ET de données numériques 2.75G EDGE 384 kbps 0.144 – 2 M bps Permet le transfert simultané de voix ET de données numériques à Haut Débit 3G UMTS

33. Standards GSM/GPRS/EDGE/UMTS (2/3) Architecture du réseau GSM/GPRS/UMTS L ’ UMTS vient se combiner aux réseaux déjà existants( GSM et GPRS ) qui apportent des fonctionnalités respectives de Voix et de Données ; l ’ UMTS apporte ensuite les fonctionnalités Multimédia . NSS BSS UMTS GPRS GSM

34. Standards GSM/GPRS/EDGE/UMTS (3/3) Processus de migration 2G-3G: cas du GSM  GSM vers GPRS (nouveau réseau cœur IP)  GPRS vers EDGE (mise à jour du réseau cœur et celui d’accès pour atteindre 384 Kbps; conservation des fréquences GSM)  EDGE vers UMTS (nouvelles bandes de fréquences UMTS et amélioration du réseau cœur et celui d'accès)  GSM vers UMTS (changement radical, fondamental)

35. Conclusions (1/3) Evolution vers l’UMTS - Le système UMTS est une norme harmonisée au niveau mondial intégrant les différentes normes de la téléphonie mobile Accroître de manière considérable et de réguler le débit de transmission - Il se caractérise par des capacités et des débits plus importants permettant également la mise en œuvre d'appareils multimédia Le gros avantage du système UMTS réside dans le fait qu’il est axé sur la technologie d’accès CDMA large bande , elle récupère le fonctionnement en mode circuit ( GSM ) et la combine au mode paquets ( GPRS )

36. Conclusions (2/3) Evolution vers l’UMTS - L’UMTS est ainsi la suite logique de l’évolution des technologies mobiles que nous connaissons Solutions pour faire évoluer le GSM WAP: W ireless A pplication P rotocol: protocole permettant d'accéder à Internet à partir d'un appareil de transmission sans fil (téléphone portable ou un assistant personnel)

37. Conclusions (3/3) Evolution vers l’UMTS Million de mobiles Téléphonie et données avec faible débit Applications Multimédia Total Décennie d’invasion de l ’UMTS Le déploiement de l’UMTS pose encore quelques difficultés, notamment les difficultés d'obtention des autorisations d'accès au spectre et les prix exorbitants des licences UMTS, car les états Européens veulent s’en servir pour renflouer leur caisse

38. Au-delà du 3G (1/3) 3.5G HSDPA: High Speed Downlink Packet Access: protocole pour la téléphonie mobile parfois appelé 3,5 G, 3G+, ou encore turbo 3G dans sa dénomination commerciale. Il offre des performances dix fois supérieures à la 3G (UMTS R'99) dont il est une évolution logicielle 3.75G HSUPA: High Speed Uplink Packet Access: protocole de téléphonie mobile de 3 ième génération dont les spécifications ont été publiées par le 3GPP dans la « release 6 » du standard UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) - Variante de HSDPA ( H igh S peed D ownlink P acket A ccess) sur la voie montante - Présenté comme le successeur de HSDPA , porte le débit montant ( Uplink ) à 5,8 Mbit/s théorique, le flux descendant ( Downlink ) étant de 14 Mbit/s comme en HSDPA  Offrir la possibilité d'émettre facilement des contenus volumineux (photos, audio, vidéo) vers d'autres mobiles mais également vers les plates-formes de partage sur Internet. Générations 3.5 et 3.75

40. Au-delà du 3G (3/3) Evolution vers LTE - SAE WiMAX : W orldwide I nter-operability for M icrowave A ccess L’objectif de l’évolution à long terme pour le WiMAX et le LTE est d’atteindre 100 Mbps en forte mobilité et 1 Gbps en fixe-nomade , comme il a été décidé par l’ IUT ( I nternational U nion of T elecommunications) pour les systèmes 4G NGMN ( N ext G eneration M obile N etworks), à travers l’utilisation adaptative du MIMO-AAS ( M ultiple I nput M ultiple O utput- A dvanced A ntenna S ystems) et de relais M ulti-saut ( M ulti-hopp relaying)

41. Lassaad ELAABIDI Ingénieur Informatique - Télécoms Cynapsys Software Engineering - Tunisie www.cynapsys.de Tel: + 216 95 716 160 [email_address] / [email_address]