YOUNESS TANTANI E VERTICALE DANS LES Mémoire présenté à la Faculté des études supérieures de l Université Laval dans le cadre du programme de maîtrise en informatique pour l obtention du grade de Maître ès sciences (M.sc.) DÉPARTEMENT D INFORMATIQUE ET DE GÉNIE LOGICIEL FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC 2010 Youness TANTANI, 2010
Résumé Le développement et la prolifération des réseaux sans fil a contribué à l évolution de notre quotidien. Toute cette multitude de technologies sans fil existantes permet, malgré sa complexité, d offrir aux utilisateurs des services diversifiés, voix et données, de la manière la plus convenable, tout en permettant l ubiquité des services dans une optique ABC (Always Best Connected). Ces réseaux utilisent des technologies différentes, mais en même temps, offrent des caractéristiques complémentaires. Ainsi, ce point s avère attrayant dans la mesure où nous pourrons bénéficier des avantages de chacune des technologies en les interconnectant toutes afin de former un large réseau hétérogène. La mobilité, ou plus particulièrement la relève, que nous nous proposons d étudier dans ce mémoire s impose comme axe de recherche intéressant, et encore plus complexe dans un environnement hétérogène. Dans ce mémoire, deux architectures interconnectant un réseau UMTS et un autre Wimax ont été présentées. Plus précisément, nous avons mis l emphase sur la procédure de relève verticale lors du passage de l utilisateur d un réseau Wimax à un réseau UMTS. Chacune des deux architectures utilise un protocole pour la gestion de la mobilité, en l occurrence le MIP (Mobile Internet Protocol) et le SIP (Session Initiation Protocol). Afin d évaluer les deux procédures, nous nous sommes donnés deux indicateurs, notamment le coût de signalisation et la durée de la procédure de relève verticale. Pour ce faire, nous avons spécifié un diagramme d échanges des messages de signalisation propre à chacun des scénarios, un basé sur le MIP et l autre basé sur le SIP. Ensuite, nous avons établi des expressions pour chacun des deux indicateurs précédemment cités qui ont été implémentées sous MATLAB. Les résultats démontrent que, généralement, le scénario de relève verticale basé sur le MIP présente une durée et un coût de signalisation moins élevé que celui basé sur le protocole SIP.
Abstract The development and proliferation of wireless networks has contributed to the evolution of our daily lives. Mobile users can move between heterogeneous networks, using terminals with multiple access interfaces. Thus, the most important issue in such environment is the Always Best Connected (ABC) concept allowing the best connectivity to applications anywhere at anytime. To answer ABC requirement, various vertical handover decision strategies have been proposed using advanced tools and proven concepts. In this paper, two architectures interconnecting a UMTS network and another Wimax have been presented. Each architecture uses a protocol for mobility management, namely MIP and SIP. To evaluate the two procedures, we are given two indicators, the signaling cost and the vertical handover delay. To evaluate our scenarios, we have established a specified signaling messages flow diagram specific to each scenario, one based on the MIP and the other based on the SIP. Then, we have given expressions for each of the two indicators mentioned above that we have implemented in MATLAB. The results show that, generally, the scenario based on MIP has lower signaling cost and delay than the scenario based on SIP.
Avant-propos Je remercie Dieu de m'avoir donné la force, le courage et les moyens pour réaliser ce travail et surmonter tout type d obstacles. Je n aurais su effectuer ma maitrise sans l'aide et le soutien de plusieurs personnes, je tiens donc à les remercier. Tout d'abord, je remercie infiniment ma famille, commençant par mes parents et mes grands parents bien aimés, passant à mon frère Réda ainsi que Houda et Hajar pour leur patience et leurs encouragements tout au long de ce parcours. Je voudrais remercier aussi mon directeur de recherche, M. Ronald BEAUBRUN, pour sa disponibilité durant ma maîtrise. Je remercie également les professeurs, M. Mohamed MEJRI du département d informatique et génie logiciel à l université Laval, et M. Alejandro QUINTERO professeur au département d informatique à l école polytechnique de Montréal, qui ont accepté d'évaluer ce mémoire. Je ne peux terminer sans remercier le personnel du Département d'informatique et de génie logiciel ainsi que mes collègues, plus particulièrement, Mme Lynda Goulet, Mme Rachel Légaré Lapierre et Mme Lorraine Malouin. Je remercie aussi les professeurs qui ont donné les cours auxquels j'ai assisté : Mme Nadia TAWBI, Mme Laurence CAPUS, M. Bernard MOULIN.
Table des matières Résumé... i Abstract... ii Avant-propos... iii Table des matières... iv Liste des tableaux... vi Liste des figures... vii Introduction... 1 1.1 Concepts de base...1 1.2 Éléments de la problématique...3 1.3 Objectifs de recherche...4 1.4 Plan du mémoire...5 Architectures des futurs réseaux mobiles... 6 2.1 Évolution vers la troisième génération (3G)...7 2.2 Quelques composantes de réseaux hétérogènes...8 2.2.1 Le réseau UMTS...8 2.2.2 Les réseaux locaux sans fil (WLAN)...13 2.2.3 Les réseaux Wimax...16 2.3 Méthodes d interconnexion des réseaux hétérogènes...18 2.3.1 La méthode «loose coupling»...19 2.3.2 La méthode «tight coupling»...20 2.4 Quelques protocoles intervenant dans la mobilité...23 2.4.1 Le protocole Mobile IP...23 2.4.2 Le protocole SIP...26 2.4.3 Conclusion...28 Gestion de la relève... 29
3.1 Caractérisation des relèves...29 3.1.1 Relève intra-système...29 3.1.2 Relève Inter-systèmes...35 3.2 Principes et hypothèses...37 3.3 Stratégies de gestion de relève existantes...40 3.4 Évaluation de la relève verticale...45 3.5 Conslusion...51 Résultats et analyses... 53 4.1 Environnement de simulation et implémentation...53 4.2 Paramètres de simulation...56 4.3 Résultats et analyse...58 4.4 Conclusion...68 Conclusion... 69 5.1 Synthèse des résultats...69 5.2 Limitations...71 5.3 Travaux futurs...71 Bibliographie... 73 v
Liste des tableaux 4.1 Tailles des messages de signalisation... 56 4.2 Valeurs de délais utilisées... 57 vi
Liste des figures 1.1 Concept cellulaire... 2 1.2 Processus de relèves verticales et horizontales... 3 1.3 Réseaux hétérogènes... 4 2.1 Architecture globale du réseau UMTS... 9 2.4 Infrastructure d un WLAN en mode infrastructure... 14 2.5 Infrastructure d un WLAN en mode Ad Hoc... 14 2.6 Schéma topologique Wimax... 17 2.7 Interconnexion selon la méthode loose coupling... 20 2.9 Interconnexion selon la méthode tight coupling au niveau SGSN... 22 2.10 Interconnexion selon la méthode tight coupling au niveau RNC... 23 2.11 Architecture UMTS-WIMAX basée sur MIP... 24 2.12 Exemple d utilisation du protocole MIP... 25 3.1 Exemple de planification de réseau UMTS à cellules quasi-égales... 30 3.2 Structure hiérarchique des cellules... 31 3.3 Exemple de planification en structure hiérarchique... 31 3.4 Exemple de relève verticale intra-système dans un réseau UMTS... 32 3.5 Hard handover horizontale... 33 3.6 Softer Handover... 34 3.7 Soft Handover... 35 3.8 Vertical handover UMTS-Wimax... 36 3.9 Relève verticale dans une architecture basée sur le protocole MIP... 46 3.10 Diagramme d échanges relatif à l architecture basée sur le MIP... 47 vii
3.11 Relève verticale dans une architecture basée sur le protocole SIP... 49 3.12 Diagramme d échanges relatifs à l architecture basée sur le SIP... 50 4.1 Coût de signalisation pour différentes valeurs de λ c selon le scénario basé sur le protocole MIP... 59 4.2 Coût de signalisation pour différentes valeurs de λ m selon le scénario basé sur le protocole MIP... 60 4.3 Coût de signalisation pour différentes valeurs de λ c selon le scénario basé sur le protocole SIP... 61 4.4 Coût de signalisation pour différentes valeurs de λ m selon le scénario basé sur le protocole SIP... 62 4.5 Comparaison des coûts de signalisation pour λ c = 0.001... 63 4.6 Comparaison des coûts de signalisation pour λ c = 0.002... 63 4.7 Comparaison des coûts de signalisation pour λ c = 0.003... 64 4.8 Comparaison des coûts de signalisation pour λ m = 0.001... 65 4.9 Comparaison des coûts de signalisation pour λ m = 0.002... 65 4.10 Comparaison des coûts de signalisation pour λ m = 0.003... 66 4.11 Comparaison des durées de la procédure de relève verticale... 67 viii
Chapitre 1 Introduction Les futurs réseaux mobiles seront constitués d un ensemble de systèmes hétérogènes, gérés par des opérateurs différents et constitués de réseaux d accès distincts [3], [30]. Dans ce contexte, les terminaux mobiles seront multi-modes, ce qui permet de passer d un système à un autre de manière transparente lors d une communication [13], [35]. On parle alors de mobilité globale et de relève verticale. Ce mémoire porte sur la gestion de la relève verticale dans les réseaux mobiles hétérogènes. Dans ce chapitre d introduction, nous définirons d abord les concepts de base nécessaires pour bien cerner le sujet. Ensuite, nous dégagerons les éléments de la problématique et présenterons nos objectifs de recherche. Nous terminerons alors le chapitre par la présentation du plan du mémoire. 1.1 Concepts de base Dans les réseaux mobiles, nous évoquons très souvent le concept de «cellule», illustrée à la figure 1.1. Cette dernière peut être définie comme une zone géographique desservie par un ou plusieurs opérateurs et gérée par une station de base. Graphiquement, une cellule est représentée par un hexagone [24]. La figure 1.1 illustre un ensemble de cellules.
Chapitre 1 Introduction Fig. 1.1 : Concept cellulaire Par ailleurs, les réseaux hétérogènes font référence à un système constitué de plusieurs réseaux d'accès utilisant des technologies différentes, souvent complémentaires, interconnectés afin d'offrir un meilleur service aux clients [3]. Dans cet environnement hétérogène, l'utilisateur est amené à se déplacer et ainsi à changer éventuellement de réseau. Nous parlons dans ce cas de relève. Cette dernière avec ses deux variantes, horizontale et verticale, permet le transfert des communications d un point d attache à un autre, tout en maintenant l appel actif. La figure 1.2 illustre les deux types de relève. Dans notre travail de recherche, nous nous focaliserons sur la version verticale de la relève, c està-dire lorsque le transfert se fait entre deux réseaux utilisant deux technologies différentes. Cette relève verticale utilise des stratégies de décision de plusieurs types [3], [4], [14] et [15]. Elle se base sur des protocoles permettant de gérer la mobilité, comme le MIP et le SIP pour la gestion des sessions de communication [31], [33] et [34]. 2
Chapitre 1 Introduction Fig. 1.2 : Processus de relèves verticales et horizontales Le processus de relève verticale met en œuvre une série d échanges de messages de signalisation. La quantité de ces échanges détermine le coût de signalisation. Les messages échangés se propagent dans des liens filaires et sans fil, engendrant ainsi un délai entre le début du processus de la relève verticale et sa fin. 1.2 Éléments de la problématique L aspect hétérogène des futurs réseaux mobiles suppose une architecture d interconnexion qui pourrait assurer une interopérabilité dans cet environnement nouveau et différent par rapport aux normes classiques. La mobilité, et plus précisément la relève, est considérée comme une problématique qui s'impose dans un environnement de réseaux hétérogènes, comme illustré à la figure 1.3. 3
Chapitre 1 Introduction Fig. 1.3 : Réseaux hétérogènes Nous pouvons être amenés à choisir entre deux architectures utilisant deux protocoles différents. Nous pouvons alors nous demander laquelle des deux architectures présente un délai minimal, et cela dans le but d avoir une idée du type de service que nous pouvons déployer sur cette architecture. Nous serons aussi amenés à nous demander à quel coût nous passons d'un réseau à un autre. Un ensemble de questions auxquelles il faut répondre à travers ce travail de recherche. 1.3 Objectifs de recherche Ce travail de recherche se veut de présenter les différentes méthodes d'interconnexion, les différentes stratégies de relèves verticales et surtout d évaluer et de comparer deux architectures de réseau hétérogène, chacun reposant sur un protocole de gestion de la mobilité. Cette évaluation nous permettra de comparer l'efficacité de chacune de ces deux architectures, en termes de coût de signalisation et de durée de la procédure de relève verticale. Mieux encore, nous pouvons déterminer les conditions dans lesquelles une architecture est plus efficace que l'autre. 4
Chapitre 1 Introduction 1.4 Plan du mémoire Le reste du mémoire sera organisée de la manière suivante. Le chapitre 2 donne un aperçu sur les principales technologies utilisées dans les réseaux mobiles, leurs constituants, architectures et spécifications. Nous y introduisons aussi les méthodes d interconnexion des différents réseaux en vue d introduire la notion de relève verticale. Le chapitre 3 met l emphase sur la notion de relève verticale, ses variantes et son contexte d application. Nous y présenterons aussi quelques méthodes existantes de décision de relève et nous aborderons les différents paramètres utilisés pour évaluer la relève. Le chapitre 4 présente l évaluation d architectures d interconnexion WiMAX-UMTS. Nous y présentons l environnement de simulation et la méthodologie menant à implémenter les fonctions d évaluation. Finalement, nous y expliquons les résultats obtenus et les commentons. Le chapitre 5 sera réservé à la synthèse des résultats, tout en donnant les perspectives de travaux futurs concernant la gestion de la mobilité dans les réseaux hétérogènes. 5
Chapitre 2 Architectures des futurs réseaux mobiles L architecture de base d un réseau mobile est essentiellement constituée de deux parties : un sous-système radio, communément appelé réseau d accès, et un sous-système réseau [24]. Le sous-système radio permet de traiter des paramètres radio nécessaires aux transmissions, alors que le sous-système réseau permet de gérer les communications en fonction du profil des abonnés. Ce chapitre porte sur les architectures des réseaux mobiles actuels et futurs. De manière plus précise, nous examinerons l évolution des réseaux mobiles depuis la première génération. Ensuite, nous présenterons les architectures de quelques types de réseaux, notamment celles du réseau UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), des réseaux locaux sans fil WLAN (Wireless Local Area Network) et du réseau WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Pour finir, nous verrons les principales méthodes d interconnexion des réseaux hétérogènes et donnerons des exemples de protocoles intervenant dans la mobilité des terminaux dans cet environnement hétérogène.
Chapitre 2 Architectures des futurs réseaux mobiles 2.1 Évolution vers la troisième génération (3G) Les réseaux mobiles actuels peuvent être divisés en réseaux de la première génération, ceux de la deuxième génération et ceux de la troisième génération [1], [3]. La première génération a été lancée au début des années 80, utilisant le mode de transmission analogique et la technologie FDMA (Frequency Division Multiple Access), dans la bande de fréquences 800-900 MHz pour la transmission de la voix [1], [2], [3]. Actuellement, le système AMPS (Advanced Mobile Phone System) demeure parmi les systèmes les plus connus de la première génération. Au début des années 90, la deuxième génération a été commercialement lancée, utilisant la transmission numérique et le mode d accès TDMA (Time Division Multiple Access) pour la transmission de la voix et des données [5]. Actuellement, le GSM (Global System for Mobile Communications) et le CDMA IS-95 (Code Division Multiple Access) constituent des exemples de systèmes numériques de la deuxième génération, parmi les plus utilisés dans le monde [5]. Toutefois, nous nous rendons compte que de tels réseaux sont limités par les exigences du trafic actuel, alors que leur interface radio est principalement optimisée pour le transport de la voix [2]. C est dans ce contexte qu au début des années 90, l UIT (Union Internationale des Télécommunications) a entrepris de participer activement au développement de standards qui visent la mise en place des réseaux mobiles de la 3 e génération [6], [7]. La 3e génération se propose de regrouper les divers environnements mobiles et incompatibles en une infrastructure capable d offrir, avec une bonne qualité de service, toute une gamme de services de télécommunications à grande échelle. Ses principales caractéristiques sont les suivantes [4] : Support de la recherche globale d usagers dans le réseau (mobilité globale); Intégration des services des différents réseaux fixes et mobiles; Débit élevé, supportant des applications multimédia, comme l accès rapide à l Internet, le traitement d images et la vidéoconférence; Sécurité accrue. Il en résulte une amélioration significative par rapport aux réseaux de 2e génération, en termes de mobilité et de services offerts. 7
Chapitre 2 Architectures des futurs réseaux mobiles 2.2 Quelques composantes de réseaux hétérogènes Dans cette section, nous présenterons les architectures des principaux réseaux qui seront interconnectés pour former la prochaine génération de réseaux mobiles. Plus particulièrement, nous nous intéresserons aux architectures des réseaux UMTS, WLAN et Wimax. 2.2.1 Le réseau UMTS L UMTS est considéré comme un ensemble de standards et de normes destinés au marché et qui appartient à la famille IMT-2000 [22]. Les spécifications techniques de l UMTS/IMT-2000 ont été développées par le groupe 3GPP (Third Generation Partnership Project), constitué de l ARIB (Association of Radio Industries and Businesses), du TTC (Telecommunication Technology Commity) du Japon, du TTA (Telecommunication Technology Association) de la Corée, du T1 des Etats-Unis et de l ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Ce groupe de travail produit des documents normatifs appelés communément «Releases» ou versions. Le développement des différentes releases est motivé à chaque fois par des demandes des clients en termes de services, de débit et bien d autres [23]. Le réseau UMTS a été développé de façon à assurer l évolution du GSM déjà implanté. Sa troisième version, comme illustré à la figure 2.1, est composée d'un réseau cœur et d'un réseau d'accès [21]. Le réseau cœur permet la gestion de la localisation des utilisateurs, le contrôle des services ainsi que la commutation et la transmission des informations de signalisation et de trafic. Il est scindé en deux parties distinctes correspondant à un découpage entre les services à commutation de circuits et ceux à commutation de paquets [21]. Cette distinction existe pour le GSM et le GPRS (General Packet Radio Service), et subsiste dans la norme UMTS, avec quelques modifications dans les termes utilisés. Cela permet une gestion séparée de l établissement des appels et de la mobilité des abonnés, situés dans des équipements différents du réseau. Ainsi, dans les spécifications du 3GPP, on parle de «domaine» de services. 8
Chapitre 2 Architectures des futurs réseaux mobiles Fig. 2.1 : Architecture globale du réseau UMTS Les éléments du réseau cœur sont donc répartis en trois groupes, comme illustré à la figure 2.2. Le premier groupe comprend les éléments du domaine CS. Ce sont : Le MSC (Mobile Switching Center), le GMSC (Gateway MSC) et le VLR (Visitor Location Register). Le MSC constitue l élément central du réseau qui accomplit les fonctions de commutation, contrôle la mobilité des abonnés et gère les ressources nécessaires pour manipuler et mettre à jour les procédures d inscription, de localisation et de relève. Le GMSC est l élément qui permet l interfonctionnement avec d autres réseaux, tel que le réseau RTC (Réseau Téléphonique Commuté). Il permet de collecter les informations de localisation et de router les appels vers le MSC approprié. Quant au VLR, il constitue l unité fonctionnelle qui enregistre dynamiquement les informations d un abonné, quand il est localisé dans sa zone de couverture. Le deuxième groupe est constitué des éléments du domaine PS. Il comprend le SGSN (Serving GPRS Support Node) et le GGSN (Gateway GPRS Support Node). Le SGSN est responsable de la livraison des paquets à l intérieur de sa zone de service. Il est chargé essentiellement du routage et du transfert des paquets, de la gestion de la mobilité et des fonctions d authentification et de facturation. Quant au GGSN, il joue le rôle d interface entre le réseau dorsal GPRS et les réseaux de paquets de données externes. 9
Chapitre 2 Architectures des futurs réseaux mobiles Fig. 2.2 : Réseau cœur de l UMTS Le dernier groupe comprend les éléments du réseau communs aux deux domaines PS et CS. Ce sont le HLR (Home Location Register), l EIR (Equipement Identity Register) et l AuC (Authentication Center). Le HLR est l unité fonctionnelle utilisée pour la gestion des abonnés mobiles. Deux types d informations y sont enregistrés : les informations de l abonné et une partie des informations du mobile pour permettre aux appels entrants d être redirigés vers le MSC. L EIR est la base de données qui contient la liste des identités des terminaux mobiles. Elle permet d identifier les téléphones non autorisés et de leur refuser l accès au réseau. L AuC, quant à lui, est le centre qui fournit les clés et les algorithmes pour maintenir la sécurité des identités des abonnés, et pour chiffrer les informations. Le réseau d accès UTRAN fournit à l équipement usager les ressources radio et les mécanismes nécessaires pour accéder au réseau cœur. Il fait appel à la technologie UTRA (Universal Terrestrial Radio Access), avec ses deux variantes FDD (Frequency Division Duplex) et TDD (Time Division Duplex), fondée sur la méthode d accès CDMA (Code Division Multiple Access) à large bande (Wide-CDMA) [21], [25]. Il est composé d un ensemble de sous-systèmes radio nommés RNS (Radio Network Subsystem) qui sont responsables de la gestion des ressources radio dans les cellules. Un RNS (Radio Network System) est constitué d un contrôleur du sous-sytème radio (Radio Network Controller : RNC) qui commande un ou plusieurs NodeB (stations de base) comme 10
Chapitre 2 Architectures des futurs réseaux mobiles illustré sur la figure 2.1. Le RNC contrôle et gère les ressources radio (établissement, maintien et libération des canaux radio), effectue le contrôle d'admission CAC (Call Admission Control) et alloue des codes à de nouveaux liens radio. Il effectue également le contrôle de la charge et de la congestion dans le réseau, ainsi que d'autres fonctions liées à la mobilité des usagers. Deux types de RNCs sont définis : le Controlling RNC pour les Node B rattachés, le serving RNC et Drift RNC pour les mobiles. Le Node B est une entité qui gère la couche physique de l'interface radio. En gros, il a pour rôle principal d'assurer les fonctions de réception et de transmission radio pour une ou plusieurs cellules de l'utran. Il régit principalement le codage du canal, l'entrelacement, l'adaptation du débit et l'étalement. En principe, les Node B peuvent coexister avec les BTS (Base Transceiver Station) afin de réduire le coût de l implémentation du réseau UMTS. L emplacement non optimal de ces Node B peut avoir un effet préjudiciable sur l efficacité du réseau UMTS. De plus, si l on utilise dans le Node B des antennes sectorielles, plus d une cellule ou secteur peuvent être desservis par un même Node B apte à supporter la technologie UTRA/FDD. Fig. 2.3 : Sous-système radio Les différents nœuds constituants le réseau d accès UTRAN sont interconnectés à travers plusieurs interfaces. Ces dernières au nombre de 4, permettent de faire dialoguer des équipements fournis par des constructeurs différents. 11
Chapitre 2 Architectures des futurs réseaux mobiles Ce sont : - Uu qui permet au mobile de communiquer avec l UTRAN; - Iu qui permet au RNC de communiquer avec le MSC/VLR ou SGSN; - Iur qui permet à deux RNC de se communiquer; - Iub qui permet la communication entre le Nœud B et le contrôleur de stations de base ou RNC. Chaque interface supporte deux types de protocoles : les protocoles AP (Application Protocol), s occupant des échanges de signalisation entre les équipements, et les protocoles FP (Frame Protocol), utilisés pour transporter les données. De plus, les trois dernières interfaces cités précédemment utilisent ATM (Asynchronous Transfer Mode) afin d avoir, par exemple, l assurance que le délai de transmission soit respecté. En effet, ATM est un mode de transfert qui est approprié pour le transport, à l intérieur du réseau, de flots d information dont le débit varie. Nous appelons UE (User Equipment) ou succinctement terminal, l équipement de terminaison de l interface radio que l abonné utilise souvent pour communiquer. Il est responsable de toutes les fonctionnalités utilisées à l autre extrémité de l interface radio. De nouveaux terminaux bi-mode GSM/UMTS ont vu le jour, munis de nouvelles cartes UICC (Universal Integrated Circuit Card) recevant les applications SIM (Subscriber Identity Module) et USIM (Universal Subscriber Identity Module), contenant des informations relatives à l abonné, telles que son module d identité, le numéro d appel et les clés de chiffrement. Il est à noter qu après la Release 3, plusieurs autres versions de l UMTS ont vu le jour comme évolution des précédentes [21]. Ainsi, la Release 4 s est plus concentrée sur le développement du domaine CS, en utilisant le sous-réseau IP du domaine PS. La Release 5 repose sur l adoption d architecture IMS (IP Multimedia Subsystem), et dans cette release, on assiste à l apparition du HSDPA (High Speed Downlink Packet Access). La Release 6, de son coté, introduit le principe d interfonctionnement du réseau cœur de l UMTS avec les WLAN, tandis que la version 7 repose sur le concept d un réseau tout IP pour présenter les principes d intégration des réseaux d accès à un réseau cœur tout IP. 12
Chapitre 2 Architectures des futurs réseaux mobiles 2.2.2 Les réseaux locaux sans fil (WLAN) Les réseaux locaux sans fil feront également partie des futurs réseaux mobiles [32]. Dans cette partie, nous discuterons de la norme IEEE 802.11 conçue pour les réseaux locaux sans fil. Le standard est plutôt adapté aux communications sans fil pour des usagers à faible mobilité ou même fixes, offrant des hauts débits et la possibilité d un déploiement rapide et efficace [32]. Le standard IEEE 802.11 donne les spécifications des fonctionnalités physiques et logiques. Il prend en considération la gestion des puissances puisque toutes les interfaces NIC (Network Interface Controller) participent à l épuisement des batteries. Cela a incité le groupe de travail du standard à définir des techniques permettant de diminuer la consommation des batteries, en basculant en mode veille si le terminal ne transmet pas de données. C est d ailleurs la couche MAC (Medium Access Control) qui implémente les fonctions de gestion de puissance en mettant la radio en mode sleep. Toutefois, le terminal risque de rater des messages qui lui sont destinés lorsqu il est en état de veille. Le groupe IEEE 802.11 a remédié à ce problème en incorporant un tampon ou buffer qui permet de placer toutes les données à destination du terminal en veille, en attente jusqu à sa prochaine mise en marche. Le second point pris en considération par le standard est la bande passante. Le spectre fréquentiel n offre pas une grande flexibilité en bande passante, ce qui laisse les débits moins élevés. Cela n a pas empêché au groupe IEEE 802.11 de développer des techniques de compression afin d exploiter au mieux le débit offert. Le troisième point soulevé par le même groupe de travail concerne la sécurité et l intégrité des données échangées, ainsi que l authentification et le contrôle d accès. La communauté des WLAN a développé une multitude de mesures pour remédier à différentes failles de sécurité. Plus particulièrement, ces mesures visent à chiffrer l information échangée et à bloquer l intrusion d utilisateurs non autorisés qui risquent de compromettre l information circulant dans le réseau ou même engager des attaques contre ces derniers. Nous passons à une autre partie abordée aussi par le standard IEEE 802.11 qui est la topologie. Ce volet de la norme recense les composantes d un WLAN. Selon le mode de fonctionnement, nous pouvons distinguer deux modes d interconnexion : l interconnexion en mode infrastructure et l interconnexion en mode Ad Hoc [27]. Le mode infrastructure dans lequel chaque client se 13
Chapitre 2 Architectures des futurs réseaux mobiles connecte à un point d accès comme illustré sur la figure 2.4. Dans Le mode Ad Hoc, illustré à la figure 2.5, toutes les machines se connectent les unes aux autres. Ainsi, chacune est en même temps machine cliente et point d accès, ce qui donne naissance au concept d ensemble de services de base indépendants. Fig. 2.4 : Infrastructure d un WLAN en mode infrastructure Fig. 2.5 : Infrastructure d un WLAN en mode Ad Hoc 14
Chapitre 2 Architectures des futurs réseaux mobiles Après avoir présenté les deux modes de fonctionnement des WLAN, il serait souhaitable de définir quelques éléments essentiels de cette technologie et plus précisément pour le mode infrastructure : Point d accès : c est un équipement qui fournit des fonctionnalités de stations et aussi des services à un système de distribution (DS : Distribution System); Basic Service Set : un ensemble de nœuds contrôlés par la même fonction de coordination. Il peut être vu comme une zone de couverture d un AP (Access Point); Distribution System : un système qui interconnecte un ensemble de BSS (Basic Service Set) qui intègre des réseaux LAN afin de créer un ensemble de services étendus ( ESS : Extended Service Set ); Extended Service Set : un ensemble de un ou de plusieurs BSS interconnectés et des LAN intégrés. Il peut être vu aussi comme la zone de couverture d une collection d AP tous connectés au DS. Dans cette section, nous aborderons un point qui nous semble pertinent dans le cadre de notre projet de recherche. Nous citons la relève dont nous utiliserons la traduction anglaise handoff ou handover qui désigne le processus de changement de la station de base qui prend en charge le terminal. Afin de mieux servir ce volet de mobilité dans les réseaux locaux sans fil, le groupe IEEE essaye de le standardiser via la création de la norme IEEE 802.11r. Le volet de relève peut être vu sous deux angles différents, mais complémentaires : la partie algorithmique et celle concernant l architecture [32]. La partie algorithmique, à caractère décisionnel, s intéresse plus aux métriques à surveiller pour prendre la décision de relève. Les principaux algorithmes existants reposent sur la mesure de la puissance du signal reçu ( RSS : Received Signal Strength), du taux d erreur binaire ( BER : Bit Error Rate), et du rapport porteuse sur interférences (CIR : Carrier to Interference Ratio). D autres algorithmes que nous qualifierons d intelligents existent. Ils reposent sur l intelligence artificielle (reconnaissance des formes, réseaux de neurones ) [25]. La seconde partie concerne les problèmes d architecture liés à la méthodologie (verticale ou horizontale), au contrôle, aux logiciels et aux matériels invoqués pendant la phase de routage des appels. Parmi les paramètres critiques très évoqués dans le cadre du handover, nous citons les délais engendrés par ce processus. Ces délais dépendent du nombre d étapes cumulées dans le 15
Chapitre 2 Architectures des futurs réseaux mobiles processus. Plus particulièrement, le standard IEEE 802.11 recense 4 étapes contribuant au délai du handover : détection du besoin de handover, balayage actif ou passif, re-authentification et reassociation. 2.2.3 Les réseaux Wimax L acronyme Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) désigne un standard de transmission sans fil à haut débit par voie radio, développé en 2002 par Intel et Alvarion. Cette technologie permet d offrir des services sans fil de large bande à des utilisateurs fixes ou mobiles. Elle a vu le jour en 2006 en Corée après le déploiement d un réseau Wibro à 2.3 GHz afin d offrir des services données/vidéo à hautes performances. La nouveauté apportée par Wimax au niveau de l interface radio était d introduire une nouvelle méthode d accès OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) et une nouvelle technique de modulation OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), en plus de fournir un support de mobilité [26]. Wimax est proposée afin de supporter deux modes de communication : point à point, et point à multipoints. Cette technologie permet également de communiquer en absence de visibilité directe NLOS (Non Line Of Sight) ainsi qu en visibilité LOS (Line Of Sight). Cependant, cette communication se fait dans deux bandes de fréquences différentes, alors que la portée varie entre 8 km et 50 km. Cette technologie offre aussi une gamme de débits théorique allant de 1 Mbps à 75 Mbps. Du point de vue architecturale, Wimax est doté d une architecture semblable à celle de l UMTS dans le sens où elle est décomposable en deux sous-systèmes : un sous-système radio et soussystème réseau. Une telle architecture est illustrée à la figure 2.6. Nous pouvons y distinguer deux grands blocs fonctionnels : le bloc NAP (Network Access Provider) et le bloc NSP (Network Service Provider). Le premier bloc est le groupement de plusieurs ASN (Access Service Network), alors que le second est l interconnexion de plusieurs CSN (Connectivity Service Network). 16
Chapitre 2 Architectures des futurs réseaux mobiles Fig. 2.6 : Schéma topologique Wimax Un ASN est assimilable à la partie radio de la norme 3GPP. Il peut être décomposé en une ou plusieurs stations de base, et une ou plusieurs ASN-GW (ASN Gateway). Dans ce contexte, les stations de base Wimax sont reliées au pont ASN via l interface R6. Ce point de référence R6 regroupe un ensemble de contrôles et de protocoles destinés à la gestion des communications entre stations de base et ASN-GW. Ces protocoles permettent l établissement, la modification, le contrôle et la libération du lien entre stations de base et pont ASN. Un ASN-GW est une entité logique qui est une agrégation d entités fonctionnelles assurant le contrôle des accès radio. Il assure également les fonctionnalités de routage et de relais, de gestion de mobilité et de flux de données. Les ASN-GW peuvent communiquer entre eux via un point de référence R4 qui consiste en des protocoles de coordination de la mobilité entre ASN et ASN-GW. Le réseau de service de connectivité est défini comme un ensemble de fonctions de réseaux qui fournissent les services de connectivité IP à un abonné. Il incorpore les éléments suivants du réseau : AAA : il s agit d un serveur fournissant les fonctionnalités d authentification, d autorisation et de gestion de comptes pour les abonnés Wimax; HA : c est un routeur qui maintient les informations concernant l état actuel du terminal. Lorsqu un usager se déplace d un ASN à un autre, le HA transfère son adresse IP au nouvel ASN via un ASN-GW; PF : c est une entité de gestion des politiques relatives à l utilisateur. Elle permet de fournir l accès aux services du réseau en fonction des profils des abonnés. 17