Organismes de standardisation

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1 Jeudi 26 Octobre 2000 Réseaux 3G Les différents réseaux PACS NMT AMPS TACS DAMPS IS54 PCS J-TACS GSM DCS IS136 PHS CT2/CAI EDGE CDMA IS-95A PDC CDMA IS-95B GPRS DECT ETSI (Eu) UMTS ARIB (Japan) WCDMA Qualcomm (USA) CDMA2000 3GPP2 3GPP 3G Standards 2 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 1

2 Organismes de standardisation ETSI : European Telecommunications Standards Institute. ARIB : Association of Radio Industries and Businesses TIA : Telecommunication Industry Association. 3GPP : Third-Generation Partnership Project (1998). DS direct-spread system basé sur WCDMA. 3GPP2 : Third-Generation Partnership Project 2 (1998). MC multicarrier system basé sur cdma Standards cellulaires NMT : Nordic Mobile Telephony. TACS : Total Acces Cellular System. J-TACS : Total Acces Cellular System (Jappon). PDC : Pacific Digital Communications. PCS : Personnal Cellular System. AMPS : Advanced Mobile Phone Service. DAMPS - IS54 - IS136 : Digital AMPS. CDMAOne - IS95A et IS95B. WCDMA : Wideband CDMA. UMTS : Universal Mobile Telecommunications System. 4 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 2

3 Standards sans fils PHS : Personnal Handyphone System (1993 puis 1995, Japon). PACS : Personnal Access Communications System (1996, Amérique). CT2/CAI : Cordless Telephone 2 / Common Air Interface (1989, Europe). DECT : Digital Europeen Cordless Telephone (1992 puis 1995, Europe). 5 Historique 3G En 1985, l UIT démarre le programme FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunication System). Intégration des composantes terrestre et satellitaires. Débits de 144 à 2000 Kbps. Possibilité de commutation de circuit et de données en parallèle. Le programme est devenu IMT2000 (International Mobile Telecommunication system). Bande de fréquence MHz et MHz. 6 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 3

4 Historique 3G Il y a eu 16 propositions techniques pour l IMT 2000 : L ETSI propose UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access). Cf. 3GPP normes 21.xxx à 52.xxx. ARIB propose W-CDMA. Le TIA propose CDMA UMTS : Universal Mobile Telecommunications System Architecture modulaire : Domaine utilisateur (Mobile Equipment et le UMTS Suscriber Identity Module). Domaine radio (UTRAN, UMTS Terrestrial Radio Access Network). Domaine réseau (CN, Core Network : Serving Network, Transit Network et le Home Network). USIM Cu UE ME Uu UTRAN Iu SN Zu CN HN Yu TN 8 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 4

5 Terminologie UMTS-GSM UE (User Equipment) : MS. Node B : BTS. RNC (Radio Network Controler) : BSC. UMSC : UMTS MSC. RNS (Radio Network Subsystem) : BSS. Interface Iub : Interface Abis. Interface Iu : Interface A. 9 MS UE BTS NodeB RNC Architecture UMTS PLNM ISDN MSC/VLR PSTN SS7 SMS-MSC BSC HLR EIR SGSN GPRS BG backbone GGSN Internet 10 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 5

6 Couche physique UMTS Deux modes : FDD et TDD. Bande de fréquence UL : MHz et DL : MHz. Modulation QPSK de 3,84 Mcps. Un slot 2560 chips, une trame 15 slots (10 ms). Codage canal : Pas de protection. Codage convolutif 1/2 ou 1/3. Turbo code 1/3. 11 Frequency Division Duplex Accès multiple W-CDMA. Modulation QPSK à 3,84 Mcps. Largeur d un canal 5 MHz (UARFCN = 5.F). Facteurd étalement256à4(ul). Facteurd étalement512à4(dl). Filtre cosinus surélevé (0,22). 10 canaux physiques. 12 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 6

7 Time division Duplex Accès multiple TDMA. Séparation entre UL et DL dans le temps. Il faut au moins 1 slot montant sur 15. Modulation QPSK à 3,84 Mcps ou 1,28 Mcps (QPSK ou 8PSK). Largeur d un canal 5 MHz (UARFCN = 5.F). Facteur d étalement 16 à 1. Filtre cosinus surélevé (0,22). 13 Réponse impulsionnelle du RRC RRC : root-raised cosine α=0,22. Tc = 1/Chip Rate 14 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 7

8 Modulation et étalement Bit0:"+1"etbit1:"-1". Deux opérations : Channelization : Transformation de chaque symbole de donnée en un certain nombre de chips (OVSF, Orthogonal Variable Spreading Factor). Le facteur de gain est codé sur 4 bits. Scrambling : code de mélange. Chan. code1 Gain factor1 PRACH data Scramb. code Cos PRACH control I+jQ Séparation I/Q Chan. code2 Gain factor2 -Sin Signal RF 15 cdma2000 Compatibilité avec les anciens systèmes. IS-95A (14,4 Kbps) et IS-95B (64 kbps) Support des débits de 9,6 Kbps à 2 Mbps. RS1, RS2, RS3, RS4, RS5 et RS6 Taille des canaux : 1, 3, 6, 9, 12 x 1,25 MHz. Canaux logiques supplémentaires (forward et reverse). Codes orthogonaux de longueur variable de (4 à 128 chips). 16 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 8

9 Propriétés Modulation QPSK. En option : turbo codes. Chip rate (CR), roll-off factor (α) et channel separation ( f). CR.(1+α)/2 f 17 Migration vers cdma2000 cdmaone cdmaone Cdma2000 phase 1 5 MHz Cdma2000 phase 1 Cdma2000 phase 2 7,5 MHz cdmaone cdmaone Cdma2000 phase 1 Cdma2000 phase 2 10 MHz 18 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 9

10 Interface air IS95 Utilisation des fréquence du système AMPS. Canal de 1,23 MHz (41 canaux AMPS de 30 KHz). Ecart duplex (FDD) de 45 MHz ou 80 MHz. Bande de garde de 9 canaux AMPS (270 KHz). Immunité E b /N 0 de5à7db(contre9dbengsm). 64 codes / canal. Lien Forward (BS-MS Down Link). Lien Reverse (MS-BS Up Link). 19 Spectre fréquentiel AMPS et PCS 20 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 10

11 Architecture IS-95 AUX BTS OS IWF MSC PSPDN BTS BSC MSC PSTN DHM ISDN MS HLR VLR VLR PLMN EIR AC 21 Historique IS95A et IS95B Développement en 1980 par QUALCOMM. Nov Première démonstration (San Diego) IS-95A standard complet (14,4 Kbps). Sep Premier lancement comercial de cdmaone (Hutchison Telecom). Juin 1997 IS-95B standard complet (64 Kbps). Avr Le TIA propose cdma2000 pour la solution 3G de l ITU. Juin 1998 cdma2000 submitted to ITU for IMT Juil cdma2000 Phase 1 standard complet. Débits prévus de 144 Kbps à 2 Mbps. 22 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 11

12 Nombre d utilisateurs IS95 dans le monde Millions sept-97 déc-97 mars-98 juin-98 sept-98 déc-98 mars-99 juin-99 sept-99 déc Assignations valides en CDMA Système primaire (59 canaux AMPS) Système secondaire (100 canaux AMPS) 24 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 12

13 Modulation (1,2288 Mcps) Forward (down) QPSK Reverse (up) OQPSK 25 Entrelacement et codage de canal Salves d erreurs (évanouissements radio) Trames de 20 ms L entrelacement minimise les erreurs en série. RS1 : 192 bits découpés en 16 paquets de 12 bits. Le codage de canal corrige les erreurs (codage convolutionnel) RS1 Down : 1/2 donne 384 bits RS1 Down : 1/3 donne 576 bits 26 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 13

14 Forward Link (Down) 64 Codes orthogonaux (fonctions de Walsh) Canal Pilote (W 0) : séquence de 0 Canal Sync. (W 32) : 1200 bps System ID, time of day, access procedures Canaux de Paging (W1 jusqu à W7) : 9600, 4800 bps 55 chanaux utilisables pour le trafic (W8 - W63) : RS1 (9600, 4800, 2400, 1200 bps) RS2 option (14400, 7200, 3600, 1800 bps) 27 Paramètres de modulation (Down) Code rate RS1 : 1/2 Code rate RS2 : 3/4 28 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 14

15 Principe de codage (Down RS1) 29 Canal Pilote (W0) Pas d informations Référence de phase pour toutes les MS Puissance de 4 à 6 db supérieure aux autres canaux Utilisé pour comparer les niveaux reçu de plusieurs BTS Période de 2 15 chips (code PN) Même code PN pour toutes les BTS Les BTS sont différenciées par un décalage temporel (incréments de 64 chips) 512 décalages possibles 30 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 15

16 Canal de Paging (W1-W7) Envoi de données au mobile Paramètres système Paramètres d accès Liste des cellules voisines Liste des canaux CDMA Recherche (Paging) Ordre Assignement de canal Data burst Challenge d authentification Affichage d informations 31 Canal Sync. (W32) Acquisition des données utiles à la synchronisation avec la BTS Protocol Revision Level (MIN_P_REV) System Identification (SID) Network Identification (NID) Pilot PN offset (Ti) System Time (Ts) Long-code state (LC_STATE) Paging Chanel data rate (PRAT) Nombre de secondes écoulées depuis le démarrage (LP_SEC) Offset of local time (LTM_OFF) Daylight saving time indicator (DAY_LT) 32 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 16

17 Canaux de Trafic (W8-W63) Trames de 20 ms Un code fondamental Jusqu à 7 codes supplémentaires Données multiplexées avec des information de contrôle de puissance (2 bits à 800 bps) 16 paquets de 24 bits Les bits de 20 à 23 indiquent la position des données de puissance Transport de certains messages de signalisation 33 Reverse Link (Up) codes PN longs Canal d accès 4800 bps Canaux de trafic RS1 (9600, 4800, 2400, 1200 bps) RS2 option (14400, 7200, 3600, 1800 bps) Système d économie de puissance (activité vocale) Transportent les rapports de mesures de puissance 34 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 17

18 Paramètres de modulation (Up) Code rate RS1 : 1/3 Code rate RS2 : 1/2 35 Principe de codage (Up RS1) 36 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 18

19 Canal d accès Utilisé pour envoyer des informations à la BTS Enregistrement Message d ordre Data burst Réponse à un paging Message d appel Réponse à un challenge d authentification 37 Codage de la voix Vocoder CELP (Code Excited Linear Predictor) Trames de 20 ms RS1 (8,55 Kbps : 160 bits + 11 bits de parité) RS2 option (13,3 Kbps) I G L, a, b Codebook Codebook gain Filtre synthétique PostFiltrage 38 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 19

20 RAKE receiver Corrélateur 1 R(t) Corrélateur 2 Corrélateur 3 Corrélateur 4 39 Etablissement d un appel Initialisation CDMA Initialisation sytème Mode veille Accès au système Contrôle des canaux de trafic 40 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 20

21 Initialisation CDMA Sélection du système Analogique / CDMA Le mobile fixe le paramètre CDMA_CH Acquisition du canal pilote Acquisition du canal Sync Synchronisation du mobile Code long Temps système 41 Mode veille Ecoute du canal de paging (Overhead Information) Paramètres système Liste des cellules voisines Liste des canaux CDMA Paramètres d accès Idle Handoff 42 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 21

22 Accès au système Lancement d un appel Réponse à un Paging Envoi d une réponse à un message de la BTS Envoi de données par Data Burst Enregistrement de la MS Authentification de la MS 43 Couches réseau (IS 634) Signalisation MSC-BS (interface A) Equivalent signalisation GSM CPSS RRM MM TFM SCCP MTP Couche physique 44 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 22

23 Messages couche CPSS CM Service Request (DTAP) Release (DTAP) Paging Request (BSMAP) Release Complete (DTAP) Paging Response (DTAP) Assignment Request (BSMAP) Setup (DTAP) Assignment Complete (BSMAP) Emergency Setup (DTAP) Assignment Faillure (BSMAP) Alerting (DTAP) Privacy Mode Command (BSMAP) Call Confirmed (DTAP) Privacy Mode Complete (BSMAP) Call Processing (DTAP) Clear Request (BSMAP) Connect (DTAP) Clear Command (BSMAP) Connect Acknowledge (DTAP) Clear Complete (BSMAP) Progress (DTAP) 45 Messages couche RRM (BSMAP) Strength Measurement Request Handoff Command Strength Measurement Response Strength Measurement Repport Handoff Required Handoff Request Handoff Request Acknowledge Handoff Failure Handoff Required Reject Handoff Commenced Handoff Complete Handoff Performed Soft Handoff Drop Target Soft Handoff Drop Source 46 23

24 Messages couche MM (DTAP) Authentication Request Location Updating Request Authentication Response Location Updating Accept SSD Update Request Location Updating Reject SSD Update Response Location Updating Request BS Challenge Parameter Update Request BS Challenge Response Parameter Update Confirm 47 Messages couche TFM (BSMAP) Overload Reset Circuit Block Reset Circuit Acknowledge Block Acknowledge Unblock Unblock Acknowledge Reset Transcoder Control Request Transcoder Control Acknowledge Reset Acknowledge 48 24

25 Appel sortant (CPSS) MS SETUP / EMERGENCY SETUP MSC IAM CALL PROCEEDING ALERTING ACM CONNECT ANS CONNECT ACKNOWLEDGE 49 Appel entrant (CPSS) MS SETUP MSC IAM CALL CONFIRMED ALERTING ACM CONNECT ANS CONNECT ACKNOWLEDGE 50 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 25

26 Enregistrement CDMA Mise sous tension Mise hors tension Intervalles réguliers Distance à la BTS trop grande Entrée dans une nouvelle zone (REG_ZONE) Changement de paramètre Slot cycle index Station class mark Call termination index Demande de la BTS 51 Authentification Clé secrète A connue de la MS et de l AC Clé secrète partagée SSD (128 bits) Identificateur du mobile (IMSI et ESN) Valeur aléatoire RAND Types d authentification Enregistrement Challenge unique Début / fin d appel Data bursts BS challenge Alignement de TMSI 52 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 26

27 MS Mise à jour SSD BTS SSD Update Request SSD Update Order BS Challenge Order BS Challenge Order MSC BS Challenge Order Confirmation SSD Update Order Confirmation BS Challenge Response SSD Update Response 53 Détail de SSD Update MS SSD Update Order (RANDSSD) AC SSD_GENERATION RANDSSD(56)+ESN(32)+A(64)+AAV(8) SSD_GENERATION RANDSSD(56)+ESN(32)+A(64)+AAV(8) SSDB_NEW SSDA_NEW RANDBS (32 bits) SSDA_NEW BS Challenge Order (RANDBS) AUTH_SIGNATURE AUTH_SIGNATURE Boolean+RANDBS(32)+ESN(32) Boolean+RANDBS(32)+ESN(32) +IMSI_S1(24)+SSDA_NEW(64) +IMSI_S1(24)+SSDA_NEW AUTH_BS BS Challenge Order Confirmation (AUTH_BS) AUTH_BS == (18 bits) SSD Update Order Confirmation (18 bits) 54 27

28 Handoffs Possibilité de connexion sur plusieurs BTS simultanément (étalement de spectre) Les BTS et les MS peuvent demander un Handoff Les différents types Equilibrage de charges sur les BTS Dépassement de distance Puissance du signal pilote trop faible Commande de puissance dépassée Soft Handoff : pas de coupure brusque de la communication 55 Roaming Réception d appels d un réseau différent Utilisation des GMSC (passerelles) Signalisation Sémaphore internationale SS7 Message d appel IAM (Initial Address Message) (1) Interrogation du Home MSC cible (2) Requête au HLR (indication du Visited MSC cible) (3) Processus normal d appel (SS7 IAM) 56 cb@iutbeziers.univ-montp2.fr 28

29 Références [1] CDMA Development Group [2] Vijay K. Garg, IS-95 CDMA and cdma2000, Prentice Hall 2000, ISBN [3] AL AGHA, PUJOLLE, VIVIER, "Réseaux de mobiles & réseaux sans fil", Eyrolles, ISBN