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Architecture Protocolaire
de l’UMTS
(Universal Mobile Telecom System)
André-Luc BEYLOT
ENSEEIHT
Département Télécommunications et Réseaux
2
PLAN GENERAL
n Introduction
n Architecture Protocolaire et Interfaces
n Réseau d ’accès radio : UTRAN
u Universal (/UMTS) Terrestrial Radio Access Network
n Réseau cœur : CN (Core Network)
n Evolutions
3
UMTS
n Constat :
u GSM : téléphonie
u GPRS : transfert de données à débit assez faible
u difficulté d’intégrer de nouveaux services/multimédia/QoS
u Atteindre des débits supérieurs : 64kb/s- 144 kb/s - 2 Mb/s
n Caractéristiques essentielles :
u Norme mondiale : IMT-2000 de l ’ITU-T, 3GPP
F Européens + Japonais + Coréens + Chinois
u Couche physique de l ’Interface Air profondément modifiée
u Protocoles du réseau d’accès (UTRAN) redéfinis
u Boîte à outils pour développer de nouveaux services
u « Améliorations » des architectures protocolaires
4
QoS Historique et Motivation
n GSM propose 2 services de transferts de données :
Transparent et non-transparent
n Profils de QoS introduits dans le GPRS rel'97
u classe de fiabilité, classe de délai, classe de débit moyen,
classe de débit crête
n Amélioration des mécanismes de QoS : UMTS/GPRS
rel'99
u plusieurs contextes/@ PDP
n Evolution rapide de l’Internet
u grande variété d’applications
u apparition de la QoS
n Volonté des Opérateurs
u différentiation
u Introduction rapide de nouveaux services
•Conversational – ex : speech, video telephony, VoIP
– Real time
– Preserve time relation (variation) between information entities of the stream.
– Conversational pattern (stringent and low delay)
• Streaming – ex : streaming audio and video
– Real time
– Preserve time relation (variation) between information entities of the stream
• Interactive – ex : web browsing
– Best effort
– Request response pattern
– Preserve payload content
• Background – ex : background download of emails, ftp, sms
– Best effort
– Destination is not expecting the data within a certain time
– Preserve payload content
UMTS Traffic Classes
3GPP TS 23.107
6
Paramètres de QoS et Applis
Yes/No
Yes/No/-
< 2048 kbps
<2048 kbps
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<100 ms
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Conversational
class
Streaming
class
Interactive
class
Background
class
Precedence class
Delay class
Reliability class
Peak throughput
class
Mean throughput
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GPRS
rel'97, '98
Delivery order
SDU format
information
Delivery of
erroneous SDUs
Maximum bitrate
Guaranteed bitrate
Maximum SDU size
Transfer delay
Residual BER
SDU error ratio
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Traffic handling
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  • 1. Architecture Protocolaire de l’UMTS (Universal Mobile Telecom System) André-Luc BEYLOT ENSEEIHT Département Télécommunications et Réseaux
  • 2. 2 PLAN GENERAL n Introduction n Architecture Protocolaire et Interfaces n Réseau d ’accès radio : UTRAN u Universal (/UMTS) Terrestrial Radio Access Network n Réseau cœur : CN (Core Network) n Evolutions
  • 3. 3 UMTS n Constat : u GSM : téléphonie u GPRS : transfert de données à débit assez faible u difficulté d’intégrer de nouveaux services/multimédia/QoS u Atteindre des débits supérieurs : 64kb/s- 144 kb/s - 2 Mb/s n Caractéristiques essentielles : u Norme mondiale : IMT-2000 de l ’ITU-T, 3GPP F Européens + Japonais + Coréens + Chinois u Couche physique de l ’Interface Air profondément modifiée u Protocoles du réseau d’accès (UTRAN) redéfinis u Boîte à outils pour développer de nouveaux services u « Améliorations » des architectures protocolaires
  • 4. 4 QoS Historique et Motivation n GSM propose 2 services de transferts de données : Transparent et non-transparent n Profils de QoS introduits dans le GPRS rel'97 u classe de fiabilité, classe de délai, classe de débit moyen, classe de débit crête n Amélioration des mécanismes de QoS : UMTS/GPRS rel'99 u plusieurs contextes/@ PDP n Evolution rapide de l’Internet u grande variété d’applications u apparition de la QoS n Volonté des Opérateurs u différentiation u Introduction rapide de nouveaux services
  • 5. •Conversational – ex : speech, video telephony, VoIP – Real time – Preserve time relation (variation) between information entities of the stream. – Conversational pattern (stringent and low delay) • Streaming – ex : streaming audio and video – Real time – Preserve time relation (variation) between information entities of the stream • Interactive – ex : web browsing – Best effort – Request response pattern – Preserve payload content • Background – ex : background download of emails, ftp, sms – Best effort – Destination is not expecting the data within a certain time – Preserve payload content UMTS Traffic Classes 3GPP TS 23.107
  • 6. 6 Paramètres de QoS et Applis Yes/No Yes/No/- < 2048 kbps <2048 kbps <=1500 octets <100 ms 5*10-2…10-6 10-2…10-5 1, 2, 3 Yes/No Yes/No/- < 2048 kbps <2048 kbps <=1500 octets <250 ms 5*10-2…10-6 10-1…10-5 1, 2, 3 Yes/No Yes/No/- < 2048 kbps -overhead <=1500 octets 4*10-3…6*10-8 10-3…10-6 1, 2, 3 1, 2, 3 Yes/No Yes/No/- < 2048 kbps -overhead <=1500 octets 4*10-3…6*10-8 10-3…10-6 1, 2, 3 Conversational class Streaming class Interactive class Background class Precedence class Delay class Reliability class Peak throughput class Mean throughput class GPRS rel'97, '98 Delivery order SDU format information Delivery of erroneous SDUs Maximum bitrate Guaranteed bitrate Maximum SDU size Transfer delay Residual BER SDU error ratio Allocation/retention priority Traffic handling priority GPRS/UMTS rel'99, 4, 5
  • 7. 7 VISION IMT2000 IMT-2000 The ITU vision of global wireless access in the 21st century Satellite Macrocell Microcell Urban In-Building Picocell Global Suburban Basic Terminal PDA Terminal Audio/Visual Terminal
  • 8. 8 UMTS - Architecture Générale Inter-PLMN Backbone Network 3G-SGSN 3G-MSC CS Domain 3G-GGSN PS Domain Node B RNC RAN UE RNC : Radio Network Controller UE : User Equipment
  • 9. 9 Acronymes GSM-GPRS BSC : Base Station Controller MS : Mobile Station BTS : Base Transceiver Station MSC : Mobile-services Switching Center BSS : Base Station Subsystem GGSN : Gateway GPRS Support Node SGSN : Serving GPRS Support Node Interfaces : BTS-BSC : Abis BSC-MSC : A BSC-BSC : non définie UMTS RNC : Radio Network Controller UE : User Equipment Node-B U-MSC : UMTS - MSC RNS : Radio Network Subsystem 3G-GGSN 3G-SGSN Interfaces : NodeB-RNC : Iub RNC-CN : Iu RNC-RNC : Iur
  • 10. 10 Modèle architecture de l’UMTS User Equipment UTRAN Core NetworkUu Iu Cu Uu Iu USIM Terminal RAN CN Réseau Extérieur Strate d’accès radio Strate de service Strate personnelle Strate applicative
  • 11. 11 Caractéristiques couche physique n Méthode d ’accès CDMA : Code Division Multiple Access u W-CDMA en FDD : Frequency Division Duplex F (sens montants et descendants séparés en fréquence) u TD-CDMA en TDD : Time Division Duplex F (sens montants et descendants séparés dans le temps) n Canaux de transport <=> Canaux physiques CANAUX PHYSIQUES u Canaux dédiés u Communs : visibles couches supérieures u Communs : uniquement couche physique CANAUX DE TRANSPORT u Canal de transport dédié : DCH u Communs (cf. GSM)
  • 12. 12 Fonctionnalités couche physique n Ajout d’un CRC n Codage canal n plusieurs niveaux u d ’adaptation de débit u de segmentation u de concaténation n multiplexage des canaux de transport n entrelacement
  • 13. 13 Soft Handover/Macro-diversité Core Network (CN) Radio Network Controler (RNC) Iu Node B Iub Node B Node B Iub Iub Radio Network Controler (RNC) Iu Node B Iub Node B Node B Iub Iub Iur UTRAN Unit Equipment Unit Equipment Unit Equipment Unit Equipment Uu Uu Uu Uu Uu Uu Possibilité de soft-handover (FDD) : Lien entre RNC + interface associée Serving RNC Drift RNC
  • 14. 14 Couche 2 de l’UTRAN n Canaux logiques : u de trafic (point à point, multipoint DL) u de contrôle (diffusion, paging, sig dédiée, contrôle partagé) n MAC u mise en correspondance : canaux logiques <=> transports u gère les priorités (sous l ’ordre de RRC) u collecte mesures volume de trafic + conditions de propag. u Plusieurs entités MAC F MAC-b diffusion F MAC-c/sh : canaux partagés F MAC-d : canaux dédiés u MAC-b : situé dans le node-B ; les autres dans le RNC
  • 15. 15 Couche 2 de l’UTRAN n RLC : Radio Link Control u segmentation/réassemblage u concaténation/bourrage u détection des duplications u retransmission u remise en ordre u cryptage n 3 modes de fonctionnement u transparent : segmentation/réassemblage u non acquitté : + numérotation + détection d ’erreur pas de reprise u acquitté : + retransmission sélective (cf. GPRS) n Situé dans le RNC
  • 16. 16 Couche 2/3 de l’UTRAN n PDCP : Packet Data Convergence Protocol u cf. SNDCP du GPRS u Plan-U u indépendance couches sup. (pas dans la strate d’accès) u compression n RRC : Radio Resource Controller u pilote les autres couches, Plan-C u Demande de connexion du mobile F mise en place tuyau radio (Radio Access Bearer) F paramétré en fonction de la QoS (débit max, moyen, taux d’erreur résiduel, taille des paquets …) F configuration des couches inférieures au vu des infos collectées F plusieurs niveaux d’activité du mobile n Situés dans le RNC
  • 17. 17 Architecture de l’UTRAN Plan de Contrôle RRC Plan Utilisateur PDCP Contrôle PDCP BMC RLCRLC RLC Contrôle Contrôle RLCRLC Contrôle MAC PHY Contrôle Contrôle RRC : Radio Resource Controller PDCP Packet Data Convergence Protocol BMC Broadcast Multicast Control Canaux Logiques Canaux de Transport
  • 18. 18 Interface Uu - Canaux logiques PHY MAC RLC RRC PHY UE Node-B SRNC MAC RLC RRC Canaux Logiques de données Canaux de contrôle PHY MAC RLC PDCP PHY UE Node-B SRNC MAC RLC PDCP
  • 19. 19 Modèle générique des interfaces de l’UTRAN Tuyau de données Application Couche Physique Plan Utilisateur réseau de transport Plan de Contrôle du réseau radio Plan utilisateur du réseau radio Couche Réseau Radio Flux de données Couche Réseau de Transport Tuyau de sig. Tuyau de sig. Plan de commande réseau de transport ALCAP ALCAP : Access Link Control Application Protocol Plan Utilisateur réseau de transport
  • 20. 20 Interface Iu-b NodeB Application Part (NBAP)Transport Layer Physical Layer Radio Network Control Plane Transport Network Control Plane ATM AAL5 User Plane SSCF-UNI SSCOP Q.2630.1 Q.2150.2 ALCAP Radio Network Layer ATM AAL5 SSCF-UNI SSCOP Iub - FPs ATM AAL2
  • 21. 21 Interface Iu-r Radio Network Subsystem Applic. Part (RNSAP) Transport Network Layer Physical Layer Radio Network Control Plane Transport Network Control Plane ATM AAL5 User Plane SSCF-NNI SSCOP Q.2630.1 MTP3-B ALCAP Radio Network Layer ATM AAL5 SSCF-NNI SSCOP Iur - FPs ATM AAL2 SCCP MTP3-B Q.2150.1
  • 22. 22 Interface Iu-CS Radio Access Network Applic. Part (RANAP) Transport Network Layer Physical Layer Radio Network Control Plane Transport Network Control Plane ATM AAL5 User Plane SSCF-NNI SSCOP Q.2630.1 MTP3-B ALCAP Radio Network Layer ATM AAL5 SSCF-NNI SSCOP Iu - UP Protocol Layer ATM AAL2 SCCP MTP3-B Q.2150.1
  • 23. 23 Interface Iu-PS Radio Access Network Applic. Part (RANAP) Transport Network Layer Radio Network Control Plane Transport Network Control Plane ATM AAL5 User Plane SSCF-NNI SSCOP Radio Network Layer Iu - UP Protocol Layer ATM AAL5 SCCP MTP3-B UDP IP GTP-U
  • 24. 24 AAL2 dans l’UTRAN PHY ATM AAL2 Iub Frame Protocols (Iub-FP) GTP-U IP MAC RLC PHY ATM AAL2 Iub-FP MAC PHY ATM AAL2 Iur-FP PHY AAL2 ATM Iub/Iur-FP MAC RLC PHY AAL2 ATM AAL5 PHY ATM MSC SGSN NodeB + UE Drift RNC Serving RNC Core Network Iub Iub Iur Iu-CS Iu-PS UTRAN data speech IuFP
  • 25. Architecture Protocolaire de l’AAL2 COMMON PART SUBLAYER SERVICE SPECIFIC SEGMENTATION AND REASSEMBLY SERVICE SPECIFIC TRANSMISSION ERROR DETECTION SERVICE SPECIFIC ASSURED DATA TRANSFER CPS SSSAR SSTED SSADTSERVICE SPECIFIC CONVERGENCE SUBLAYER (SSCS) ITU-T I.366.1 COMMON PART SUBLAYER ITU-T I.363.2 AAL2 = CPS + SSCS (éventuellement vide)
  • 26. Start Field PAD Field CPS-PacketCPS-Packet CPS-Packet CPS-Packet CPS-Packet CPS-Packet CPS-PDU CPS-PDU CPS-PDU CPS-PDU CPS-PDU ATM-SDU Cell Header ATM-PDU = Cell Exemple de Multiplexage et de Segmentation AAL2
  • 27. 27 Positionnement de l’AAL2 Medium Access Control (MAC) Layer Radio Link Control (RLC) Layer Radio Physical Layer Transport Channels Logical Channels Transport Channel Frame Protocols AAL2 AAL2 SAP SAP SAP SAP Transport Channel Transport Channel Frame Protocol SAP ATM SAP Frame Protocol SAP Air Interface UTRAN
  • 28. 28 Plan U (vision globale) L3CE RLC MAC WCDMA/ TD-CDMA Relay MAC WCDMA/ TD-CDMA GTP L1 L1 L2 RLC GTP GTP UDP IP L2 L1 GTP UDP IP L2 L1 MS RAN 3G Serving Node 3G Gateway Node Uu GnIu L2 IP UDP UDP IP L3CE paquet : PDCP PDCP RAN protocols (Access Stratum, AS) RLC MAC WCDMA/ TD-CDMA Relay MAC WCDMA/ TD-CDMA L1 L1 ATM RLC AAL2 MS RAN MSC Gateway Node Uu Iu ATM AAL2 circuit : RAN protocols (Access Stratum, AS)
  • 29. 29 Réseau de données (Internet) Node B RNC 3G-GGSN 3G-SGSN Gn IP Firewall Gn Domaine PS Iu Inter-PLMN Backbone Network Mécanimes externes de QoS DiffServ. Différents types de canaux (dédiés/communs) Connexions AAL2 3GPP R99/R4 QoS normalisée
  • 30. 30 WCDMA/VoIP Mobile EDGE/VoIP Mobile UMTS Release 1999 UMTS Release 4/5 Packet side (GPRS) GGSN SCPHLR GMSC 3G-SGSN Iu MSC/VLR WCDMA UTRAN BS BS BS BS RNC RNC Iur Iub (optional) Circuit side PSTN Internet WCDMA Mobile NEW ! EDGE (GSM) BSS BS BS BS BS BSC BSC Abis WCDMA UTRAN BS BS BS BS RNC RNC Iur Iub GGSN SCP HLR 3G-SGSNIu CSCFCSCF MGCFMGCF SGWSGW MGWMGW PSTN Internet Multimedia Service Control (IPTelephony) Packet Core (GPRS) with real time services NEW !NEW ! IP transport option for SS7 GMSCMSC/VLR Circuit Core (optional) UMTS Release'99 and Release 4/5UMTS Release'99 and Release 4/5
  • 31. 31 Migration de la SIG vers Internet - Interface Iu-r SSCF-NNI SSCOP MTP3-B AAL5 IP SCTP SCCP AAL5 SSCF-NNI STC (Q.2150.1) RNSAP Iur Data Stream(s) Transport Network Layer Physical Layer Transport User Network Plane Control Plane User Plane Transport User Network Plane Transport Network Control Plane Radio Network Layer ATM ALCAP(Q.2630.1) AAL2 SSCF-NNI SSCOP MTP3-B IP SCTPSSCF-NNI M3UA M3UA