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