L’architecture et l’évolution de UMTS et Technologies concurrentes

By 18 July 2013

2 EPS/LTE évolution de l’UMTS
2.1 Contexte de l’UMTS
2.1.1 Évolution de UMTS

UMTS comporte des évolutions qui sont définies par les releases suivantes :

La première, release 99, est publiée mi-1999. Cette version utilise une nouvelle interface radio qui se base sur CDMA (l’accès multiple à répartition en codes). Il y a deux types de réseau d’accès : FDD et TDD (TD-CDMA). Les interfaces radio des deux réseaux d’accès sont supportées par l’ATM. Le débit maximal dans le sens descendant est, en théorie, de 2 Mbps, et dans le sens montant est de 768 kbps. Le réseau du cœur se base sur le réseau de transport du GSM et GPRS.

La release 4 de l’UMTS est terminée en mars 2001. Cette version ajoute la deuxième interface radio de type TDD, TD-SCDMA. Cette interface utilise un débit « chip » inférieur (1,28 Mcps) par rapport au TD-CDMA (3,84 Mcps) afin de s’adapter à la bande inférieure (donc 6MHz) que la bande traditionnelle de TDD. La release 4 apporte une évolution importante dans le réseau cœur qui sépare la signalisation de la transmission (« call and bearer separation »). En conséquence, le MSC se divise entre le serveur de MSC pour assurer le contrôle d’appel, et CS-MGW pour assurer la transmission. Le GSMC se divise également entre le serveur de GSMC et CS-MGW.[2]

La release 5 est terminée en mars 2002, et apporte des évolutions significatives. Cette version inclut deux évolutions dans le réseau UMTS : le support d’IP au niveau du réseau coeur et HSDPA. Le protocole IP est considéré afin de remplacer l’ATM dans la couche de transport. Le mécanisme de HSDPA se base sur le canal radio qui est partagé entre tous les utilisateurs dans le sens descendant, sur l’évaluation en temps réel du canal radio, et sur la retransmission rapide (HARQ) afin d’augmenter le débit descendant, en théorie, à 14,4 Mbps. De plus, la nouvelle architecture IMS (IP Multimedia Subsystem) apporte une évolution importante dans le réseau cœur afin de mieux supporter des applications IP telles que : partage audio/vidéo, « video streaming », VoIP, … Et le SIP (Session Initiated Protocol) est le protocole principal d’IMS afin de contrôler les sessions établies.[3]

La release 6 est terminée en mars 2005. Cette version apporte le mécanisme de HSUPA afin d’accroître le débit montant maximal, en théorie à 5.76 Mbps. Le HSUPA utilise des techniques comme HSDPA telles que HARQ, mais des canaux radio partagés sont remplacés par des « dedicated channels ». La combinaison de HSDPA et HSUPA s’appelle HSPA. De plus, les services de MBMS permettent de diffuser de contenu en mode broadcast et multicast. Cette diffusion est utilisée souvent par des applications telles que la télévision mobile.[4]

Le débit des évolutions différentes de l'UMTS (le bleu présente le débit en théorie, le vert présente le débit que l'on espère,
Illustration 1: Le débit des évolutions différentes de l’UMTS (le bleu présente le débit en théorie, le vert présente le débit que l’on espère, source : [5])

La release 7 est terminée en juillet 2007. Cette version apporte des améliorations sous le nom de HSPA+ pour HSPA. En théorie, HSPA+ permet au débit descendant d’atteindre 42.2 Mbps, au débit montant d’atteindre 11.5 Mbps. Le troisième choix pour l’interface radio de type TDD a le débit chip de 7,68 Mcps. La technique de CPC (Continuous Packet Connectivity , Connectivité permanente pour les utilisateurs des services paquets) est utilisée pour diminuer l’interférence causée par des canaux «dedicated physical control » lorsqu’il n’y a aucun utilisateur sur ces canaux. Cela permet au terminal de s’éteindre après une période d’inactivité de ces canaux, donc de diminuer sa consommation d’énergie.[6]

La release 8 est en cours d’achèvement. Cette version apporte des évolutions significatives d’UMTS sous le nom de LTE. La comparaison des évolutions de l’UMTS est disponible dans la figure 1.

La release 8 est terminée avec des exigences de haute priorité et des caractéristiques essentielles. La release 9 développe les caractéristiques manquantes. La release 10 se concentre sur LTE-Advanced.

2.1.2 Architecture de l’UMTS
a) Architecture générale de l’UMTS

L’architecture générale du réseau UMTS se compose d’un réseau d’accès et d’un réseau cœur (figure 2).

Le réseau d’accès (UTRAN) regroupe des fonctions permettant de transmettre des informations (trafic de données et trafic de signalisation) de l’utilisateur vers le réseau cœur. Il se compose des NodeB et des RNC (Radio Network Control) qui correspondent respectivement à la BTS et au BSC dans l’architecture GSM. Le RNC sert à la gestion de ressources radio, et du « soft handover » par exemple. Il contrôle un ou plusieurs NodeB via l’interface Iub. Un NodeB peut servir une ou plusieurs cellules. Le NodeB s’occupe de la transmission et de la réception du signal radio, de la modulation/démodulation, du codage de canal, l’adaptation du débit de transmission, élargissement/des-élargissement, et du contrôle de la puissance d’émission, et de la synchronisation.[7]

Le réseau cœur regroupe des fonctions permettant l’acheminement des données d’utilisateur vers la destination correspondante, la gestion d’appel, de la mobilité, de l’authentification, de la sécurité des échanges et de la taxation. Dans le rôle d’acheminement, le réseau cœur se compose de serveurs et de passerelles qui se divisent entre deux domaines principaux: le domaine CS (domaine de commutation de circuits) et le domaine PS (domaine de commutation de paquets). L’autre domaine est le domaine de broadcast (BC) afin de transmettre des messages de broadcast. Le domaine de CS comprend le MSC, VLR et GSMC servant à communiquer avec les réseaux de téléphonie donc PSTN, et PLMN. Le domaine PS comprend le SGSN et le GGSN servant à communiquer avec les réseaux tels que Internet. En communiquant avec les bases de données partagées telles que HLR, EIR, AuC, les composants réalisent également les fonctions de gestion des utilisateurs, de la taxation, et de la sécurité.

Le réseau cœur n’est pas obligatoire reliée à l’UTRAN, mais supporte aussi d’autres technologies d’accès radio telles que HIPERLAN 2, IEEE 802.11, et SRAN (Satellite Radio Access Network).

Architecture de l'UMTS
Illustration 2: Architecture de l’UMTS (release 99)

Depuis la release 4, le MSC/VLR se divise entre le serveur de MSC et CS-MGW. Le GSMC se divise également entre le serveur de GSMC et CS-MGW. Cette division a pour but dans le domaine CS de séparer le plan de contrôle et d’utilisateur. Cela permet à l’opérateur d’élargir la taille et d’optimiser la topologie du système.

Dans release 5 (cf. figure 3)[8], le HSS (Home Subscriber Server) remplace le HLR et AuC, et le sous-système IMS (IP Multimedia Subsystem) est ajouté. L’IMS est une architecture « overlay » servant à établir, modifier et contrôler des sessions établies avec les réseaux IP afin de mieux supporter des applications IP telles que : partage de audio/vidéo, « video streaming », VoIP, …. L’IMS utilise le domaine PS pour transmettre des messages de signalisation et des données multimédia. Il est indépendant du domaine CS, même s’ils partagent quelques composants tels que HSS. Le protocole SIP (Session Initiated Protocol) est le protocole principal de signalisation IMS. L’IMS se compose des entités fonctionnelles principales CSCF(Call Session Control Function) (P/I/S/E-CSCF), AS, MRF, PCRF et différents SBC. L’architecture de référence et les fonctions d’entités IMS sont présentées dans TS 23.228 [9].

Architecture de l'UMTS
Illustration 3: Architecture de l’UMTS (release 5)

b) Architecture protocolaire de l’UMTS

Le modèle protocolaire de l’UMTS se compose d’un ensemble de divisions verticales et horizontales. La division horizontale sépare l’interface en plusieurs des couches. La division verticale comprend le plan de contrôle et d’utilisateur. Le plan d’utilisateur transmet des données d’utilisateur. Le plan de contrôle transmet des messages de signalisation (source principale [10]).

L'architecture protocolaire de l'UMTS dans le plan de contrôle
Ilustration 4: L’architecture protocolaire de l’UMTS dans le plan de contrôle (domaine de PS, release 5)

Dans le plan de contrôle à l’interface Iu (cf. figure 4), le protocole RANAP (Radio Access Network Application Part) regroupe des fonctions nécessaires pour connecter le réseau d’accès avec le réseau cœur telles que : paging, allocation de ressources, gestion de la mobilité, …. la signalisation du protocole RANAP est transmise via la couche de transport via ATM ou IP. La couche de transport de type ATM est basée sur AAL5 (ATM Adaptation Layer 5) qui est un protocole simple et efficace de la famille des AAL. La couche de transport de type IP est basée sur le protocole SCTP/IP.

Dans le plan d’utilisateur du domaine PS (cf. figure 5), les données sont transmises par un tunnel GTP. Le tunnel GTP est transmis via le protocole UDP/IP. A l’interface radio, 3GPP ajoute la sous-couche PDCP afin de compresser des entêtes, de chiffrer les paquets et de transmettre des paquets sans accusés de réception vers le nouveau SRNC pendant un processus de re-allocation de SRNC. Dans le domaine CS, des données d’utilisateur sont transmises directement via l’AAL2 ou protocole RTP/UDP/IP à l’interface Iu. L’AAL2 donne des connexions qui assurent le délai minimale et permettent de transmettre au débit variable.

AAL2 et RTP supportent des données multimédia [7].

L'architecture protocolaire de l'UMTS dans le plan d'utilisateur
Illustration 5: L’architecture protocolaire de l’UMTS dans le plan d’utilisateur (release 5)

Dans le release 99, la couche de transport via ATM (AAL2/AAL5) est un choix répandu et la couche de transport via IP est un choix optionnel. Mais depuis release 5, les deux ont la même priorité. Le protocole SCCP (Signalling Connection Control Part) est choisi pour supporter ces deux couches de transport. En général, dans le réseau SS7, SCCP utilise le protocole MTP3 ( Message Transfer Part Layer 3) afin de faire le routage. Les protocole M3UA et SCTP permettent au protocole SCCP de passer dans domaine de IP.

2.1.3 Technologies concurrentes

En Juin 2008, 1xEV-DO, un successeur de CDMA-2000, a été déployé. En comparaison avec HSPA, EV-DO peut gagner une même efficacité spectrale[11]. La difficulté d’utilisation pour l’ensemble du service de voix des données limite le déploiement d’EV-DO. 3GPP2 a introduit EV-DO RevB dont le débit sur une bande passant de 20MHz atteint 73,5Mbps et UMB qui se base sur OFDMA. Cependant, aucun opérateur ne qui proclame officiellement son support à EV-DO RevB et UMB. Le nombre d’abonnements à la famille CDMA2000 est faible par rapport à la famille GSM/UMTS.

WiMax est considéré comme une technologie qui peut potentiellement remplacer la technologie cellulaire dans les réseaux sans fil dans les zones étendues. Cette technologie est ajoutée à l’IMT-2000 (technologie de 3 G). Elle se base sur la norme IEEE 802.16 qui peut être déployée sur un spectre libre(5MHz). WiMax comporte de nombreuses évolutions. En 2004, la norme a ajouté le support du multicast. Depuis 2005, elle supporte le handover inter- BTs, et inter-opérateurs. En théorie, la performance de WiMax est compétitive avec le HSPA+/LTE, avec les mêmes innovations à l’accès radio telles que OFDMA, MIMO. Mais, la performance de WiMax est diminuée dans une zone urbaine où se trouve un large nombre d’utilisateurs. De plus, WiMax est testée dans un nombre limité de zones, pas déployée globalement et peu d’opérateurs proclament officiellement son support à WiMax.

Il existe d’autres alternatives telles que IEEE 802.20 qui ressemble à l’UMB, et Metro Wi-Fi. IEEE 802.20 ne gagne pas beaucoup d’intérêt auprès des opérateurs. Metro Wi-Fi peut-être une technologie complémentaire qui fournit de l’accès à large bande en centre ville, cependant la technologie 3G fournit déjà de l’accès sur une zone plus vaste.

Aujourd’hui, GSM/UMTS/HSPA est une série de technologies dominantes[5] avec des évolutions continuelles. LTE est la dernière évolution de cette série, en voie pour être la référence 4G. Au troisième trimestre 2008, NGMN (Next Generation Mobile Networks Alliance) a choisi LTE comme une technologie qui peut répondre à elle-seule aux exigences des réseaux mobiles de la prochaine génération [11].

Lire le mémoire complet ==> (Utilisation de la compression des entêtes dans les réseaux cellulaires de type 4G)
Institut de la Francophonie pour l’Informatique – NEXTTV4ALL
Mémoire de fin d’études – Intégration de RoHC dans l’architecture de LTE
Master Informatique, option Systèmes et Réseaux