Evolution de réseau GSM (GPRS, EDGE)

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1 Evolution de réseau GSM (GPRS, EDGE) I. Réseau GPRS (General Packet Radio Service) 1. Introduction Avec le développement d'internet, réseau à commutation par paquets, les terminaux mobiles reposant sur le service GSM ne pouvaient y accéder qu'avec de faibles débits (9,6 kbit/s) de par la commutation en mode circuit. Ainsi, avec le service GPRS (General Packet Radio Service), ces données sont transmises par paquets un débit élevé (jusqu à 171,2 kbit/s), ce qui diminue le temps de téléchargement pour les pages WEB. En effet, GPRS est le premier protocole à commutation par paquets dans le monde de l Internet mobile, et constitue une couche supplémentaire à un réseau GSM existant. 2. Présentation générale du General Packet Radio Service 2.1. Introduction La téléphonie mobile est un système de radiotéléphonie dit cellulaire. Les cellules sont des petites zones où se trouvent une série d équipements de radiotéléphonie. Nous verrons en détail ces équipements lors de la partie sur l architecture du GPRS. Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 1

2 Un utilisateur doit pouvoir passer d une cellule à une autre de manière transparente, appelé handover. Cette mobilité doit pouvoir être intégrée dans GPRS comme elle l est dans GSM. Les réseaux GSM et GPRS peuvent se complémenter l un l autre pour économiser des ressources radios Nécessité du GPRS GPRS est né d une évolution de la deuxième génération des réseaux des mobiles. Une ligne GSM est du type ligne téléphonique standard, et utilise le mode dit «connecté», également appelé «circuit». Or, la commutation de circuit nécessite l établissement d une communication GSM monopolisant ainsi un canal, qui ne peut alors être utilisé par un autre utilisateur. Or, une consultation d informations sur Internet est constituée à 75 % de temps morts durant lesquels aucune information n est échangée. Par ailleurs, cette monopolisation, se paye en terme de coût de communication. En fait on paye la monopolisation du canal et non ce qui est transporté. De plus, le GSM ne propose qu un débit de 9,6 kbits/s. En effet, les réseaux à commutation de circuits sont inefficaces pour gérer les transmissions de données fréquentes, les petits flux de données et les trafics Internet en rafales. C est pour palier à toutes ces contraintes et développer des services Internet mobile que le GPRS a fait son apparition Définition du GPRS Le GPRS spécifie une technique de transmission de données en «commutation de paquets», permettant : de ne pas mobiliser de canal de communication; et autorisant une tarification plus souple pour l utilisateur. d atteindre un débit théorique maximal de 171,2 kbits/s, ce qui correspond à débit d environ 115 kbits/s pour l utilisateur final dans des conditions optimales. Le GPRS s appui sur le réseau GSM, ils se complètent alors tous les deux. En effet, l architecture GSM fournit les services voix, tandis que l architecture GPRS fournit les services de données par paquets avec un débit élevé Principales caractéristiques du GPRS Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 2

3 La norme GPRS spécifie un nouveau service de support de transmission de données en mode paquets. GPRS permet notamment de transporter des données utilisateur et des données de signalisation, et qui connaît les avantages suivants : Fournir une connexion permanente indispensable pour les transmissions de données. Ne pas nécessiter de connexion préalable entre les deux correspondants, ce qui réduit le temps d établissement de la communication. Offrir une tarification possible au volume, au débit, et non plus à la durée Spectre des fréquences GPRS utilise les mêmes fréquences attribuées au GSM Débit La différence entre GSM et GPRS est que GSM n utilise qu un time slot par trame TDMA, tandis que GPRS peut utiliser plusieurs time slots (jusqu à 8, qui est le maximum) sur une seule trame pour transporter les données. GPRS utilise ces time slots de façon dynamique et peut donc justifier d un débit beaucoup plus important que GSM Catégories de services Il existe deux catégories de services GPRS : les services Point à Point (PTP) : ils fournissent une transmission d un ou plusieurs paquets entre deux utilisateurs (l expéditeur et le destinataire). les services Point à Multipoints (PTM) : ils fournissent une transmission de paquets entre un demandeur de service et un groupe d abonnés receveurs se trouvant dans une zone définie par le demandeur de service. Un abonné peut ainsi envoyer des données à de multiples destinations avec une seule demande de service. 3. Architecture du GPRS Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 3

4 Le GPRS est un service complément de GSM et s intègre dans ce dernier. Nous allons voir les différentes parties qui composent cette architecture avec les interconnexions entre ces entités 3.1. Présentation de l architecture du GPRS L architecture générale d un réseau GPRS est donnée par la figure suivante: 3.2. Equipement du réseau MS (Mobile Station); BTS (Base Transceiver Station) ; BSC (Base Station Controller) ; MSC (Mobile services Switching Center) ; VLR (Visitor Location Register) ; HLR (Home Location Register) ; EIR (Equipment Identity Register) ; SMS-GMSC (Short Message Service Gateway Mobile Services Switching Center) et SMS- IWMSC (Short Message Service InterWorking MSC) : ces deux MSC sont des commutateurs dédiés au service des messages courts; Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 4

5 SMS-SC (Short Message Service Service Center) : cette entité est très importante dans le traitement des messages courts; PCU (Packet Control Unit) : cet équipement gère les fonctions de couches basses, c'est-àdire les protocoles RLC (Radio Link Control), MAC (Medium Acces Control), contrôle de puissance, adaptation des débits, pour envoyer sur le réseau «GPRS». Il gère les fonctions de transmissions et d acquittements. SGSN (Serving GPRS Support Node) : serveur d accès au service GPRS (équivalent au MSC), et qui gère les MS présentes dans une zone donnée. Son rôle est de délivrer des paquets aux MS. GGSN (Gateway GPRS Support Node) : routeur connectant le réseau GPRS et un réseau externe de commutation par paquets (IP ou X.25). Il sert de passerelle entre les SGSN du réseau GPRS et les autres réseaux de données. Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 5

6 3.3. Les différents sous ensembles De nombreux équipements sont présents dans l architecture d un réseau GPRS Equipement utilisateur Ceci est appelé la MS et raccordé au sous-système radio par l interface Um Sous-système radio BSS (Base Station System) = BTS + BSC Ce BSS est connecté au NSS du GSM via l interface A, et au sous-système réseau GPRS via l interface Gb Sous-système réseau GSM Ce NSS du GSM est composé des MSC/VLR, HLR et EIR De plus, les équipements SMS-GMSC et SMS-IWMSC font partie de ce sous-système, mais ils sont utilisés dans le NSS du GPRS, car tout utilisateur GPRS comme tout utilisateur GSM, peut émettre et recevoir des messages courts Sous-système réseau GPRS Le sous-système réseau GPRS se compose principalement des SGSN et des GGSN Les interfaces, une nécessité pour interconnecter les équipements Ces différents sous-systèmes sont connectés entre eux via différentes interfaces : interface Um : interface radio entre le MS et le sous-système radio. interface A bis : cette interface relie BTS et BSC. Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 6

7 interface A : cette interface relie le BSS via la BSC, et le NSS du GSM via le MSC/VLR. interface Gb : cette interface est définie entre le BSS du GSM et NSS du GPRS. interface Gn : cette interface est définie entre deux nœuds GPRS (SGSN ou GGSN) appartenant au même réseau PLMN GPRS. Les messages IP ou X.25 sont transportés entre les nœuds GPRS, par tunnelling grâce au protocole GTP (GPRS Tunnelling Protocol). interface Gs : cette interface, définie entre le SGSN et le MSC/VLR, est optionnelle. Elle permet au SGSN d envoyer par exemple des informations de localisation au MSC/VLR et d éviter des échanges redondants de signalisation liés à la gestion de la mobilité entre le terminal mobile et le SGSN, puis entre le terminal mobile et le MSC. Le SGSN peut aussi recevoir des requêtes de paging émises par le MSC/VLR pour le service GSM. interface Gd : cette interface est définie entre les entités fonctionnelles qui permettent respectivement d acheminer des SMS à destination d un terminal mobile et de relayer des Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 7

8 SMS émis par un terminal mobile (appelés SMS-GMSC et SMS-IWMSC), et le SGSN pour offrir à un terminal mobile GPRS la possibilité d émettre et de recevoir des SMS via des canaux radio GPRS. interface Gr : cette interface est définie entre le SGSN et le HLR pour des échanges de données liés aux profils des abonnées et à la gestion de la mobilité. interface Gc : cette interface, définie entre le GGSN et le HLR, est optionnelle et sert au GGSN pour demander au HLR des informations de localisation concernant un terminal mobile. interface Gf : cette interface relie un SGSN et un équipement de type EIR pour les échanges liés à l identification du terminal. Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 8

9 interface Gi : cette interface, définie entre le GGSN et les réseaux de données par paquets externes, permet les échanges entre le réseau GPRS et le monde extérieur. interface Gp : cette interface définie entre deux PLMN différents est équivalente à l interface Gn avec, en plus des fonctions de sécurisation entre les deux PLMN. 4. Pile protocolaire et canal radio GPRS Nous allons voir les différentes couches présentes dans les différents équipements du réseau GPRS Pile protocolaire Présentation Voyons la pile protocolaire entre le terminal mobile et le GGSN. Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 9

10 En effet, pour établir une voie de communication entre le terminal mobile et le GGSN, on utilise 2 protocoles : le protocole LLC (Logical Link Control) : entre le terminal et le SGSN. le protocole GTP : entre le SGSN et le GGSN, GTP s appuyant soit sur TCP (transport avec acquittement), soit sur UDP (transport sans acquittement). Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 10

11 Les couches de la pile protocolaire Couche Physique Cette couche Physique se subdivise en deux sous-couches, et s occupe du codage du canal. la RFL (Physical Radio Frequency Layer): est la couche la plus basse de la pile protocolaire, et est responsable de la modulation et démodulation (modem du terminal). la PLL (Physical Link Layer) : fait le lien entre la couche MAC et le modem. transporte les paquets RLC/MAC. réalise le codage du canal. surveillance et évaluation de la qualité du signal radio. gestion de la batterie. contrôle de la puissance de transmission. détecte la congestion (saturation) sur le canal. Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 11

12 Couche MAC Le protocole MAC (Medium Acces Control) : contrôle l accès aux canaux radio (messages de signalisation de type demande et allocation de canal). fournit le multiplexage des données, c'est-à-dire le multiplexage temporel TDMA qui permet d utiliser plusieurs time slots dans une trame TDMA. permet à un terminal mobile (MS) d utiliser plusieurs canaux physiques (PDCH : Packet Data CHannel) en parallèle. fournit les procédures de file d attente et d ordonnancement (mettre en ordre) pour un trafic de données entrant vers le terminal. fournit l arbitrage entre les terminaux mobiles qui tentent d accéder simultanément au médium commun de transmission. réservation du canal. contrôle les débits de download (télécharger) et d upload (transférer). réalise les différents canaux logiques nécessaires pour le partage du médium commun de transmission par différents terminaux mobiles Couche RLC Le protocole RLC (Radio Link Control) : Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 12

13 interface permettant de transmettre les paquets entre les couches LLC et MAC. segmentation et réassemblage des paquets en blocs RLC/MAC. fonctionne en mode acquitté (libéré) et non acquitté selon la qualité de services (QoS) demandée. détection des paquets RLC erronés. retransmission des paquets RLC erronés si le mode acquitté est requis (indispensable). contrôle la liaison radio et fournit un lien fiable dépendant de la technologie radio utilisée Couche BSSGP Le protocole BSSGP (Base Station System GPRS Protocol) : relaie les trames LLC. transporte les informations liées au routage et à la qualité de service (QoS) entre le BSS et le SGSN. ne fait pas de correction d erreur. gère le trafic entre les cellules et le SGSN. indique toujours la cellule courante Couche NS Le protocole NS (Network Service) : transporte les paquets BSSGP. Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 13

14 Couche LLC Le protocole LLC (Logical Link Control) : fournir un lien logique fiable et sécurisé entre le terminal mobile et le SGSN. transporte les paquets de données utilisateur (PDU SNDCP (SubNetwork Dependent Convergence Protocol)), ou la signalisation entre le terminal mobile et le SGSN. réalise des fonctions de chiffrement, de contrôle de flux, de contrôle de séquence. permet de faire une distinction de qualité de services entre les différents types d utilisateurs. fonctionne en mode acquitté et non acquitté. fournit la détection et la correction des erreurs de transmission, s il est utilisé en mode acquitté. signale uniquement les erreurs sans les corriger, s il est utilisé en mode non acquitté Couche SNDCP Le protocole SNDCP (SubNetwork Dependent Convergence Protocol - Protocole dépendant de convergence de sous-réseau) : Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 14

15 transporte de façon transparente les unités de données de la couche de protocole réseau, à savoir qu un changement de protocole de couche réseau n induit pas un changement de toutes les couches de protocoles GPRS, mais seulement du SNDCP. gère la compression et la décompression des en-têtes, de façon à augmenter l efficacité des canaux. gère la compression et la décompression des données. assure le respect de la séquence des messages, la segmentation et la reconstitution des paquets de données pour fournir des blocs de données de taille acceptable pour le protocole LLC Couche GMM Le protocole GMM (GPRS Mobility Management) : gère l itinérance du terminal dans le réseau GPRS Canal radio GPRS Time slot Voyons en détail un time slot : Remarque: burst : élément du signal transmis. C est dans cet élément que se trouvent les données. Il est divisé en deux sous parties. Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 15

16 Des couches hautes vers les couches basses Pour transmettre des paquets sur le canal radio, le terminal fonctionnant en mode GPRS doit les transformer en bursts, qui seront alors multiplexés sur des canaux physiques PDCH (Packet Data CHannel). Couche Réseau : Elle fournit un paquet (en-tête «PH»+ données) à la couche inférieure SNDCP. Couche SNDCP : Elle segmente le paquet et ajoute un en-tête «SH» à chaque segment. Les segments obtenus ne doivent pas dépasser 1200 octets et sont fournis à la couche LLC. Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 16

17 Couche LLC : Elle ajoute un en-tête (FH), et un champ de contrôle d erreurs (FSC) à chaque segment, puis transmet les trames ainsi formées à la couche RLC / MAC. Couche RLC / MAC : Elle découpe chaque trame reçue en blocs après avoir ajouté un en-tête (BH), un champ de contrôle d erreur (BCS) et un champ de bits de traînée à chaque morceau (Tail), puis transmet les blocs à la couche physique. Enfin, c est elle qui contrôle l accès aux canaux en réalisant le multiplexage temporel TDMA. Couche PLL : Elle réalise alors, pour chaque bloc, un codage de canal CS1 à CS4, afin de réaliser des blocs encodés de longueur fixée à 456 bits (c'est-à-dire 4 bursts de 114 bits), qui doivent être placés dans des trames TDMA successives. Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 17

18 Codage du canal (protection contre les erreurs) La couche physique se subdivise en deux sous couches : la RFL et la PLL. Le codage du canal est effectué par la couche PLL. La couche PLL réalise un codage convolutionnel avec poinçonnage (griffe), et dont le principe est le suivant : on a un codeur qui en entrée reçoit n bits, et ressort kn bits, où 1/k est le taux de codage. Ainsi, pour coder les i bits du segment RLC/MAC (c'est-à-dire la charge utile du bloc), on utilise un codage convolutif (n, k). Selon: la rapidité de modulation, la taille du segment RLC et du taux souhaité, on utilisera l un des quatre codages CS suivant : Exemple pour le CS1: Taux de codage: n/k=1/2 Bloc encodé = i+bcs+bh+tail = 456 bits (CS1 à CS4) (CS2 : =456 et CS3: =456) Le niveau CS1 correspond à une protection maximale des données. Le codage convolutionnel fait alors passer le bloc de 181 à 456 bits, ce qui donne : 181 bits transmis dans 4 trames consécutives Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 18

19 durée totale : 4x4,62 ms = 18,5 ms débit résultant brut : D = 181/18,5 = 9,8 kbits/s débit résultant net : D = 9,05 kbits/s si on enlève les bits d en-tête et de contrôle 5. Description fonctionnelle du GPRS Nous allons montrer le fonctionnement général du GPRS, et en particulier comment l on échange les données dans GPRS Schéma fonctionnel du GPRS Le schéma suivant présente l architecture du GPRS en soulignant l importance du réseau IP (Internet Protocol) comme support du réseau GPRS. Le réseau GPRS est inséré dans son environnement, c'est-à-dire avec le système de taxation, les passerelles de taxation et les serveurs de noms essentiels pour les traductions d adresses. Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 19

20 Ce schéma introduit également le principe d inter fonctionnement d un réseau GPRS avec un autre réseau GPRS, indispensable en cas d itinérance de l utilisateur, via les Borders Gateways (figure précédente) qui relient le réseau GPRS à tout réseau de données par paquet externe (réseau GPRS ou autre) Mécanismes de transfert de paquets en GPRS Lors d une communication, le réseau GPRS est interconnecté à un autre réseau à commutation par paquet. Ainsi, lorsqu un utilisateur désire transmettre des paquets vers un réseau de données en mode paquet, il utilise le protocole PDP (Packet Data Protocol). Avant de voir les mécanismes de transmission en mode paquet, nous allons introduire la gestion de la mobilité dans le GPRS. Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 20

21 5.3. Gestion de la mobilité Afin de mieux comprendre les mécanismes de transmission d informations, il convient d expliquer quelques notions attachées à l itinérance d un utilisateur Etats GPRS Dans le cadre de la gestion de la mobilité pour le GPRS, trois états sont associés à un terminal mobile : IDLE (non utilisé): le terminal est en veille, inactif. STANDBY (être prêt à intervenir): le terminal est dans un état intermédiaire dans lequel il est prêt à émettre et recevoir des données. READY (préparer q.q.c): le terminal émet ou reçoit des communications Contextes GPRS Dans le cadre de la gestion de mobilité du GPRS, on définit la notion de contextes. Les contextes introduits dans GPRS sont liés à l ensemble des informations caractéristiques d un abonné relativement à : sa mobilité, contexte MM (Mobility Management). ses données, contexte PDP (Packet Data Protocol) Contexte MM Le contexte MM continent tous les paramètres liés à la gestion de la mobilité, au terminal mobile et à la sécurité : l IMSI (International Mobile Subscriber Identity) et le P-TMSI (Packet Temporary Mobile Station Identity), qui permettent d identifier l abonné. l état de la mobilité de l abonné : IDLE, STANDBY, READY. l identifiant du SGSN, qui est l adresse du SGSN servant le terminal mobile actuellement. Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 21

22 Contexte PDP Le protocole PDP est spécifique aux données paquet. On lui associe un contexte et une adresse. l adresse PDP : est décrite par un contexte PDP dans le terminal mobile, le SGSN et le GGSN. Le contexte PDP : est lié aux données et regroupe des informations de routage vers le GGSN qui seront utilisées par le terminal mobile. Un contexte PDP doit être créé afin que l abonné puisse émettre ou recevoir des données. Chaque contexte PDP existe indépendamment dans l un des états PDP (INACTIF ou ACTIF). L état PDP indique si l adresse PDP est activée pour le transfert de données ou non Emission de données Imaginons qu un utilisateur GPRS désire envoyer des paquets de données à un utilisateur situé sur le réseau Internet. Voici un descriptif des étapes à réaliser pour cette situation, et ceci dans l ordre chronologique. L établissement de la liaison montante : 1. le terminal mobile doit récupérer le BCCH (Broadcast Control CHannel) de la cellule afin de déterminer si un canal GPRS est présent (terminal en état IDLE). 2. le terminal mobile effectue un GPRS Attach (procédure permettant de déclarer le mobile sur le réseau GPRS et établi un lien logique entre lui et le SGSN) afin d établir un contexte GPRS avec le SGSN, en précisant : son identité ainsi que la qualité de service désirée. 3. après négociation de ces paramètres avec la BTS, le SGSN la charge de la réservation du canal (les times slots) et de l établissement de la liaison. 4. le terminal reçoit des informations concernant le canal alloué sur le BCCH et passe à l état STANDBY. 5. le terminal passe à l état READY en transmettant au SGSN un message identifiant le canal courant (Uplink). Un échange de paquets commence : les données sont transmises dans les time slots réservés. un accusé de réception positif est envoyé par la BTS si l ensemble des données a été bien reçu. les données sont décapsulées et envoyées au SGSN. Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 22

23 le SGSN encapsule les données à l aide du protocole GTP et les envois au GGSN. le paquet est décapsulé, et l adresse et le protocole sont vérifiés afin que la bonne route soit sélectionnée. Le paquet est alors envoyé via le réseau de données externe jusqu au destinataire. Ce transfert se termine par un message d accusé réception de la part du SGSN qui peut être positif ou négatif Réception de données Imaginons qu un utilisateur désire envoyer des paquets de données IP à un utilisateur GPRS. Voici un descriptif des étapes à réaliser pour cette situation, et ceci dans l ordre chronologique. les paquets venant du réseau de données externe sont acheminés jusqu au GGSN du réseau GPRS. le GGSN effectue les conversions de formats de données, de protocoles de signalisation et d informations d adresses. le GGSN vérifie s il possède un contexte GPRS pour ce terminal mobile : si le terminal mobile est dans l état IDLE, le trafic paquet sera rejeté. si le terminal mobile est dans l état STANDBY ou ACTIF, le GGSN achemine le paquet, dans un format encapsulé, vers le SGSN (utilisation du GTP). si le terminal mobile est en état STANDBY, le SGSN demande au MSC de réaliser un paging GPRS dans la zone de routage du terminal. le terminal mobile répond au paging en précisant la cellule dans laquelle il est situé, et se met dans le mode ACTIF. le paquet est acheminé du SGSN via la MSC à la station de base une fois que la route a été établie. la station de base réserve un time slot sur le PDCH (Packet Date CHannel), encapsule le paquet et l envoie au terminal mobile. Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 23

24 si cette donnée est reçue correctement, un accusé de réception positif est généré. le terminal décapsule le paquet, et l envoie au destinataire final, par exemple l application sur un ordinateur portable connecté au téléphone mobile. Pour tous les paquets qui seront ensuite envoyés pendant une période de temps donnée, le terminal mobile restera dans un mode ACTIF et indiquera au réseau lorsqu il change de cellule. Le chemin vers le terminal mobile est connu, donc tous les paquets seront acheminés vers ce terminal comme via un tunnel. 6. Bilan sur le GPRS 6.1. Avantages Il se dégage trois avantages principaux dans GPRS : 1. le débit : le GPRS a un débit supérieur à celui du GSM. On peu atteindre théoriquement un débit de 171,2 kbit/s. 2. la commutation de paquets : cette méthode permet de ne pas monopoliser les ressources radios lors de la consultation sur Internet, consultation d , etc. De plus, avec la commutation de paquets, on peut interconnecter le réseau GPRS avec un réseau de données paquets externe tel qu un réseau IP ou X la tarification au volume: Cela permet à un utilisateur de ne plus se soucier du temps de téléchargement des données, il payera seulement la taille de ce téléchargement et non sa durée Limites Cependant, bien que GPRS apporte une réelle avancée dans le monde de l Internet mobile, il existe des limites : 1. le débit réel observé est très inférieur à celui annoncé dans les spécifications du protocole. En effet, on peut constater qu en moyenne, le débit est d environ 50 kbit/s, et l on peut atteindre un débit d environ 115 kbit/s dans des conditions optimales. 2. le coût de la mise en place de l infrastructure GPRS, bien que GPRS utilise une partie de l architecture GSM, la mise en place des équipements GPRS est coûteuse. 3. avec l arrivée des nouvelles technologies (3G par exemple), les opérateurs de téléphonie mobile peuvent hésiter à investir dans une technologie qui va être dépassée prochainement. Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 24

25 Conclusion Le service GPRS, technologie 2,5G, permet l accès à l Internet mobile avec des débits beaucoup plus élevés que dans GSM. Le GPRS est basé sur le réseau GSM existant, ainsi que son sous-système radio. Cependant, malgré ce gros avantage, les spécialistes du marché sont devant un dilemme. Donc, l avenir se tournant vers des technologies de troisième génération, 3G, telle que l UMTS, on peut penser que le GPRS a encore un bel avenir devant lui. Il pourra être un complice à cette technologie 3G et prendre le relais si la couverture n est plus assurée (par UMTS par exemple). Enfin, terminons en précisant que GPRS est le premier protocole à commutation par paquets dans le monde de l Internet mobile, et c est lui qui fait découvrir aux utilisateurs les possibilités en matières de services, etc. que l on peut avoir avec un terminal mobile. Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 25

26 II. Réseau EDGE (Enhanced Data rates for the Global Evolution Introduction Avec le GPRS, le système GSM permet un accès au monde de l internet et ouvre la porte aux applications multimédias par l utilisation de la commutation de paquets et l augmentation du débit. Cependant, les débits restent limités à environ 50kbits/s dans la pratique, du fait de la modulation binaire (GMSK) véhiculant environ 1bit/symbole. Afin de dépasser ces limitations, une proposition a été faite par l ETSI (European Telecommunications Standards Institute) en 1997 pour l utilisation d une modulation à plus forte efficacité spectrale appelée 8-PSK (environ 3bits/symbole). Des études de faisabilité s en sont suivi et ont conduit au concept d EDGE (Enhanced Data rates for the Global Evolution). Le standard EDGE est une évolution de la norme GSM, modifiant le type de modulation. Tout comme la norme GPRS, le standard EDGE est utilisé comme transition vers la troisième génération de téléphonie mobile (3G). On parle ainsi de 2.75G pour désigner le standard EDGE. EDGE utilise une modulation différente de la modulation utilisée par GSM, ce qui implique une modification des stations de base et des terminaux mobiles. Il permet ainsi de multiplier par un facteur 3 le débit des données avec une couverture plus réduite. Dans la théorie, EDGE permet d'atteindre des débits allant jusqu à 384 kbit/s pour les stations fixes (piétons et véhicules lents) et jusqu à 144 kbit/s pour les stations mobiles (véhicules rapides). Les principes d EDGE ont été aussi repris et adaptés pour l évolution de l IS-136, le standard TDMA américain. Cette évolution est connue sous le nom d UWC136 ou d EDGE compact. 1. Caractéristiques de la norme EDGE 1.1. Bandes de fréquence disponibles La norme EDGE a l avantage de pouvoir rapidement s intégrer au réseau GSM existant. En émission, un mobile EDGE à l instar d un GSM émettra donc dans une bande qui s'étend de 880 à 915 MHz (Uplink). En réception, la bande sera 925 à 960 MHz (Downlink). Ainsi, pour Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 26

27 une communication, il y aura 45 MHz de séparation entre le canal d émission et le canal de réception (Duplex de séparation). Ces bandes de fréquences sont divisées en portions de 200 khz chacune, ce sont les canaux de transmission. Il y en a donc au total 175 qui sont répartis entre les opérateurs. Chaque canal peut accueillir jusqu à 8 communications simultanées Débits nécessaires La technologie EDGE peut théoriquement atteindre un débit maximum de 473,6kbit/s (8*59,2). En pratique, le débit (maximum) a été fixé au niveau du standard de la norme EDGE à 384kbit/s par l ITU (International Telecommunication Union) dans le but de respecter la norme IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000). Le taux de transfert de données dépend non seulement de la modulation et du schéma de codage mais également de la qualité du lien et du temps de propagation. La technique de mesure d un réseau EDGE est d analyser chaque bloc de transmission composée de quatre séquences et d en estimer la probabilité d erreur. En cas de problème, une adaptation automatique de la modulation et du schéma de codage (donc du débit) est effectuée Modulation La technologie d EDGE utilise la modulation 8-PSK (Phase Shift Keying) appelée parfois MDP-8(Modulation de phase à 8 états). Figure 3.1 : La modulation 8PSK La modulation 8PSK est une méthode linéaire dans laquelle trois bits consécutifs sont codés dans un symbole. Le taux du symbole, ou le nombre de symboles envoyés dans une certaine période de temps, reste le même comme pour GMSK, mais chaque symbole représente maintenant trois bits au lieu d'un. La vitesse de transmission de données totale a augmenté par conséquent par un facteur de trois. La distance entre les différents symboles utilisant la Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 27

28 modulation 8PSK est plus brève par rapport à la modulation GMSK vu le passage brusque entre ces symboles. Ainsi, cette courte distance augmente le risque de mauvaise interprétation des symboles parce qu il est plus difficile pour le récepteur radio de détecter le symbole qu il a reçu. Dans de bonnes conditions radio, cela n'importe pas. Mais dans des mauvaises conditions radio, les bits supplémentaires seront utilisés pour ajouter plus de codage correcteur d erreur et l'information correcte peut être récupérée. C est seulement, dans les mauvaises conditions radio que la modulation GMSK est plus efficace. Nous verrons dans le chapitre 4 cette modulation beaucoup plus détaillée La structure du burst La structure du burst de GSM est conservée quelque soit la modulation utilisée, GMSK ou 8-PSK. Un burst est formé d une séquence centrale appelée séquence d apprentissage (training sequence) constituée de 26 symboles entourée de 58 symboles de part et d autre, de 2*3 symboles de bourrage et de 8,25 symboles de garde. Dans le cas de la GMSK, un symbole correspond à un bit et on dispose de 2*58 bits de données par burst. Parmi ces bits de données, 2 bits sont des drapeaux de préemption (stealing bits) pour le GSM classique. Dans le cas de la 8- PSK, on a 2*3*58=348 bits de données pour chaque burst. 2. Modes de commutation Figure 3.2: la structure du burst Le système EDGE peut s appuyer sur le HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) qui est le premier développement du standard GSM vers des débits supérieurs, utilisant le même mode de commutation (circuit) que le GSM, leur association est connue sous le nom d ECSD Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 28

29 (Enhanced Circuit Switch Data) ou sur le GPRS, dans ce cas elle est connue sous le nom d'egprs (Enhanced General Packet Radio Service) Mode circuit (ECSD) Avec le mode circuit, EDGE permet d obtenir des canaux logiques de données à de plus hauts débits. On les appelle des E-TCH (Enhanced-Traffic Chanel). Un E-TCH offre, après codage protecteur d erreur, des débits utilisateur allant jusqu à 43,2kbit/s lorsqu un seul slot par trame est alloué à un utilisateur. Cependant du fait du faible attrait des opérateurs pour le HSCSD, l ECSD risque de disparaître devant l EGPRS. Remarque: Par la suite nous focaliserons notre étude sur le système E-GPRS du fait que le précédent (ECSD) n étant pas beaucoup plus déployé dans le monde, et que notre études se portant sur la comparaison entre les deux systèmes de transmission par paquets à savoir EDGE dans le cas d E-GPRS et le GPRS proprement dit Mode paquet (EGPRS) La technologie EGPRS repose sur la même architecture du réseau fédérateur et les mêmes couches hautes de GPRS. En revanche les couches physiques et RLC/MAC sont nettement transformées Architecture L EDGE est une extension du réseau GPRS. Seule le sous-système radio est sensiblement modifié. Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 29

30 Figure.3.3: Architecture d EDGE Le déploiement de L EDGE nécessite : La mise à jour du BSC et de la BTS. L ajout d un émetteur-récepteur (EDGE Transceiver) au niveau de la BTS, capable de supporter la modulation 8-PSK Présentations des schémas de modulation et de codage Dans EDGE, le principe des schémas de codage est étendu, ainsi 9 MCS (Modulation and Coding Scheme) ont été introduits. Les quatre premiers (de MCS1 à MCS4) utilisent la modulation GMSK et le reste (de MCS5 à MCS9) utilise la modulation 8-PSK. Le taux de codage des données varie de 0,53 (protection maximale) à 1 (pas de protection). Le codage est basé sur un code convolutionnel de taux 1/3 avec un poinçonnage plus ou moins important. Pour une modulation donnée, le taux de codage de l en-tête est approximativement constant: 0,53 pour la GMSK et environ 0,33 à 0,36 pour la 8-PSK. Il existe trois familles de codage pour l EGPRS, chacune est caractérisée par un nombre des bits d information utile (tous les tailles sont multiples de mêmes valeurs) et chaque famille comprend certains codes : Famille A: la taille d information utile est de 37 octets (37*8 bits) elle contient le MCS3, MCS6 et MCS9. Famille A padding: l information utile est de 34 octets (34*8 bits) elle contient le MCS3, MCS6 et MCS8. Famille B: la taille d information utile est de 28 octets (28*8 bits) elle contient le MCS2, MCS5 et MCS7. Famille C: dans cette famille l information utile est de 22 octets (22*8 bits) elle comprend le MCS1 et MCS4. Le tableau suivant représente les différents codes dont chacun son débit nominal et la famille à laquelle il appartient. Schémas Types de Nombre de Débit Taux de Taux de de codage modulation blocs RLC nominal codage des codage de par 20 ms (kbit/s) données l en-tête Famille MCS1 GMSK 1 8, C Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 30

31 MCS2 GMSK B MCS3 GMSK A MCS4 GMSK C MCS5 8-PSK /3 B MCS6 8-PSK /3 A MCS7 8-PSK B MCS8 8-PSK A MCS9 8-PSK A Tableau 3.1: paramètres des schémas de modulation-codage(ou MCS) dans EDGE Avec cette configuration, le débit pour un canal physique (un IT pour une trame TDMA) peut varier de 8,8kbit/s (MCS1) à 59,2kbit/s (MCS9). En utilisant les 8 IT on atteint un débit maximal de 473,6kbit/s (8*59,2) Principes d adaptation de lien radio L adaptation de lien consiste à sélectionner le schéma de modulation et de codage le mieux adapté aux conditions de propagation radio. En cas des conditions favorables, un ensemble modulation-codage, quoi que offrant une protection réduite, est utilisé. Dans des conditions difficiles, un schéma de modulation-codage robuste est préférable. En effet, pour utiliser le lien radio au maximum de la capacité, l émetteur adapte le schéma de modulation et de codage à la qualité de signal reçu par le récepteur. Lorsque le taux d erreur des blocs radio BLER (Block Error Rate) est faible, il est possible de réduire le taux de codage des données ou de passer de la GMSK à la 8-PSK. Les transitions entre tous les schémas sont possibles (MCS1 à MCS2, MCS1à MCS4, MCS2 à MCS3 etc.). La décision de type de codage à utiliser par un canal bien déterminé est effectuée par le PCU selon le niveau du C/I mesuré. En plus du principe d adaptation de lien il y a également l IR (Incremental Redundancy) qui peut être combinée avec le principe d adaptation de lien. Ce principe consiste à retransmettre seulement la redondance du bloc RLC erroné avec un même MCS ou un autre MCS appartenant à la même famille de l ancienne MCS. La sélection du MCS de la retransmission dépend de : MCS initiale. MCS sélectionnée par l algorithme d adaptation de lien. Le format de l information utile, pour chaque code, est représenté par la figure suivante: Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 31

32 Famille A Famille A padding Famille B Famille C Figure3.4: le format de l information utile pour chaque code d une famille donnée Constitution des blocs RLC-MAC d EDGE La longueur (Li) des blocs transmis de la couche RLC-MAC à la couche physique dépend du type de codage appliqué à ces blocs avant leur transmission sur l interface air. De plus, la structure interne de ces blocs (en-têtes, nombre de blocs RLC transmis dans un bloc RLC-MAC etc.) varie également suivant le type de codage appliqué et le sens dans lequel le bloc est transmis. Le tableau suivant récapitule la taille des blocs d information issue de la couche RLC, auxquels l en-tête MAC est ajouté, avant codage et transmission par la couche physique. Codage Taille du bloc RLC-MAC Taille du bloc Taille de l en-tête (Li) en bit d information MAC(en bit) (en bit) MCS MCS Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 32

33 MCS MCS MCS-5 487(UL) 478(DL) (UL) 28 (DL) MCS (UL) 622 (DL) (UL) 28 (DL) MCS (UL) 940 (DL) (UL) 40 (DL) MCS (UL) (DL) (UL) 40 (DL) MCS (UL) (DL) (UL) 40 (DL) Tableau3.2: Format des blocs RLC-MAC Lorsque la couche physique reçoit des couches RLC-MAC le bloc RLC-MAC à émettre, elle peut déduire de la longueur Li du bloc le type de codage de canal (MCS-1 à MCS-9) à utiliser. Elle doit également indiquer à la couche physique de l entité réceptrice le type de codage utilisé. Elle utilise pour cela non pas les 8 bits de préemption des quatre bursts sur lesquels sont entrelacées les bits codés, comme en GPRS, mais une partie de l en-tête MAC, appelée CPS (Coding and Puncturing Scheme). Pour les codages MCS-1 à MCS-4, les bits de préemption ( , quel que soit le codage) sont ajoutés aux 456 bits codés. Pour les codages MCS-5 à MCS-9, les bits de préemption ( ou ) sont insérés dans les 464 = [(57+1) 2 4] symboles résultants. Parvenu à la couche physique, le bloc RLC-MAC de Li bits est codé par l un des MCS. Par rapport au GPRS, l en-tête MAC est codé indépendamment d un ou de deux blocs RLC. De plus, le codage et la modulation respectent les règles suivantes : La modulation utilisée est la GMSK pour les codages MCS-1 à MCS-4 et la 8PSK pour les codages MCS-5 à MCS-9. La possibilité d utiliser la GMSK est conservée afin d offrir une transmission correcte dans un canal radio fortement perturbé. Le codage des données et celui de l en-tête MAC se décomposent toujours de la manière suivante : ajout de 8 ou 12 bits de parité pour protéger le bloc (d en-tête ou de données), ajout de 6 bits de traînée, passage dans un code convolutif de taux 1/3, un poinçonnage pour parvenir à un bloc de 456 bits (MCS-1 à MCS-4) ou 464 symboles (MCS-5 à MCS- 9), entrelacement et insertion dans quatre bursts. Pour les codages MCS-1 à MCS-4, dans le sens descendant, les 3 bits d USF (Uplink Status Flag) sont codés indépendamment des 28 autres bits de l en-tête MAC; ils sont transformés, de la même manière que pour le codage CS-4 du GPRS, en 12 bits, qui ne passent pas ensuite dans le codeur convolutif. À ces 12 bits, on ajoute les 68 bits issus du codage convolutif et du poinçonnage des 28 autres bits de l en-tête MAC. Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 33

34 Dans le sens montant, on n isole pas, contrairement au GPRS, les 3 premiers bits pour leur appliquer le même traitement qu aux bits d USF : les 31 bits de l en-tête MAC passent dans le codeur convolutif, mais le poinçonnage en sortie diffère de celui effectué dans le sens descendant afin d avoir finalement le même nombre de bits d en-tête codés (80) en montant qu en descendant. Pour les codages MCS-5 à MCS-9, dans le sens descendant, les 3 bits d USF sont codés indépendamment des 25 ou 37 autres bits de l en-tête MAC ; ils sont codés en une suite de 36 bits, qui ne passent pas ensuite dans le codeur convolutif. À ces 36 bits, on ajoute les 68 bits issus du codage convolutif et du poinçonnage des 28 autres bits de l en-tête MAC. Ces règles sont résumées dans le tableau suivant : C O D Codage de données (bloc RLC) Codage de l en-tête MAC Bloc RLC- MAC A G E Nbr bits en entrée Nbre bits de parité Nbre bits de trainé Taux de codage Nbre bits poinçoné s Nbr bits en sortie(1) Nbr bits en entrée Nbre bits de parité Nbre bits de trainé Taux de codage Nbre bits Nbr poinçoné bits en s sortie (2) Nbr bits transmis (3) MCS / non 1/3 456 UL 31 transmis DL MCS / / non 1/ UL 31 transmis DL MCS / / non 1/ UL 31 transmis DL 3/ Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 34

35 MCS / non 1/3 456 UL 31 transmis DL MCS / / non 1/ UL 37 transmis DL MCS / / non 1/ UL 37 transmis DL MCS-7 UL 2*45 0 2*12 2*6 1/3 2*792 2*612 3/ non transmis 1/ DL MCS-8 UL 2*54 6 2*12 2*6 1/3 2*1080 2*612 3/ non transmis 1/ DL MCS-9 UL 2*59 4 2*12 2*6 1/3 2*1024 2*612 3/ non transmis 1/ DL 3/ Tableau.3.3: Codages appliqués à la transmission de données en E-GPRS 1. Nombre de bit en sortie = (nombre de bit en entrée + nombre de bits de parité + nombre de bits de traînée)/(taux de codage nombre de bits poinçonnés). 2. Nombre de bits en sortie = (nombre de bits en entrée + nombre de bits de parité)/(taux de codage nombre de bits poinçonnés). 3. Nombre de bits transmis= nombre de bits en sortie (1) + nombre de bits en sortie (2) + des bits de bourrage. Conclusion Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 35

36 Grace à la modulation 8-PSK, la norme EDGE permet d augmenter les débits disponibles dans GPRS. Toutefois cette augmentation n est possible que dans des bonnes conditions de propagation c'est-à-dire lorsque le C/I est élevé. En outre, l'introduction d EDGE dans le réseau GSM/GPRS permettra aux opérateurs d'améliorer les services et capacités à la demande des utilisateurs. Vu les qualités de services de données et applications apportée par la technologie EDGE, les opérateurs ne pouvant pas disposer de la licence des systèmes 3G, pourront adopter cette technologie. Enseignant: ABDESSELAM.S Université Med khider Biskra. 36