Transmissions et Protocoles Le RTC

Transmissions et Protocoles Le RTC Nathalie Mitton Nathalie.mitton@inria.fr (LIFL, projet INRIA/CNRS/USTL POPS) 2 Radio téléphonique commuté STN : Switched Telephone Network RTC Met en relation deux abonnés à travers une liaison dédiée pendant tout l échange Principalement du transport de voix. Utilise comme support des lignes électriques sur lesquelles transite un courant analogue aux signaux sonores. RTC (2) Commutation de circuits Communication full duplex avec une bande passante de 64kb/s dans chaque sens. Liaison d abonné ou boucle locale 3 4 RTC élémentaire Une liaison téléphonique élémentaire est constituée par : 2 émetteurs-récepteurs (postes téléphoniques) Une ligne acheminant les signaux Une source d énergie électrique E. La tension continue nécessaire à l alimentation des postes est fournie par une source installée au central téléphonique. historique 1854 : Charles Bourseul imagine un système de transmission électrique de la parole. 1876: Alexander Graham Bell construit le premier téléphone capable de transmettre la voix humaine en en respectant le timbre. Vendus par paires Un téléphone ne peut joindre qu un seul correspondant. Si X veut appeler Y, Z et T, il lui faut 3 téléphones, un pour chaque correspondant. Les villes se couvrent de fils électriques. Système difficilement extensible. 1878: premier central téléphonique à New Heaven (Connecticut) par Bell. A l origine, mise en relation manuelle par les opérateurs. 5 6 1

Historique (2) Architecture traditionnelle 1889 : premiers concepts d automatisation Apparition des PABX (Private Automatic Branch Exchange) Un PABX est un standard automatique qui vous aiguille sur le poste désiré après que vous ayez composé un code particulier. Organisation hiérarchique de 3 niveaux 1970 : le réseau téléphonique français est entièrement automatisé Grâce aux recherches du CNET, mise en place du premier central entièrement électronique au monde. 1972 : première liaison visiophonique sur liaison haut débit entre les sites CNET de Paris et Lannion 1987 : ouverture de Numéris 7 8 Architecture traditionnelle (2) Architecture traditionnelle (3) Réseau structuré en zones, chaque zone correspond à un niveau de concentration et de taxation. ZAA : zone à Autonomie d acheminement Comporte 1 ou plusieurs commutateurs à autonomie d acheminement (CAA) desservant des commutateurs locaux (CL), concentrateurs de ligne raccordant l abonné final. Les CAA mettent en relation les clients d une même zone géographiqe. Réseau étoilé Réseau de desserte ZTS : zone de transit secondaire Réseau structuré en zones, chaque zone correspond à un niveau de concentration et de taxation. ZAA : zone à Autonomie d acheminement ZTS : zone de transit secondaire Comporte les concentrateurs de transit secondaire (CTS) Pas d abonnés directement reliés Les CTS assurent le brassage de circuits lorsque 2 CAA ne peuvent communiquer directement ZTP : zone de transit principal ZTP : zone de transit principal 9 10 Architecture traditionnelle (4) Réseau structuré en zones, chaque zone correspond à un niveau de concentration et de taxation. ZAA : zone à Autonomie d acheminement ZTS : zone de transit secondaire ZTP : zone de transit principal Assure la commutation des liaisons longues distances Comprend un Commutateur de Transit Principal (CTP) Au moins un CTP relié à un Commutateur de Transit International (CTI) Architecture traditionnelle (5) Le réseau est un réseau maillé : plusieurs itinéraires entre deux abonnés 2 types de faisceaux Faisceau de premier choix Choisi en priorité Pour un numéro donné, conduit l appel vers le commutateur le plus proche de l abonné en empruntant les faisceaux de plus faible hiérarchie Faisceau de second choix Faisceau de débordement Les informations de gestion, appelées «signalisation» transitent sur une réseau parallèle : le réseau sémaphore. 11 12 2

Gestion du réseau Gestion du réseau (2) Trois fonctions de gestion: Trois fonctions de gestion: La distribution La distribution Liaison d abonné ou boucle locale Relie l abonné au centre de transmission de rattachement La commutation Transmission de la voix : fréquence vocale de 300 à 3400Hz Fonction essentielle du réseau Transmission de la numérotation Fréquence de la numérotation décimale (au cadran) : 10Hz Fréquence de la numérotation fréquentielle : de 697 à1633 Hz Transmission de la signalisation générale Mise en relation de deux abonnés Maintient de la liaison durant tout l échange Libération des ressources Paramètres de taxation déterminés par le réseau La commutation La transmission Partie support de la communication La transmission Aujourd hui, seule la boucle locale reste en cuivre et analogique, le reste, fibre optique et numérique 13 14 La boucle locale Partie comprise entre le client et le centre de rattachement du réseau de l opérateur. 3 zones essentielles La partie «branchement» La partie «distribution» La partie «transport» La boucle Locale - Branchement Partie reliant les clients aux points de raccordement Câbles en cuivre Une ligne = une paire de fils transmettant la voix et les données sous forme de signaux électriques Une paire par ligne posée En France, câbles généralement organisés en regroupements de 7 paires. En fonction de la capacité d abonnés recherchée, multiple de 7. Lorsque le câblage est impossible (ex: montagne), on utilise les faisceaux hertziens : boucle locale radio. 15 16 La boucle Locale - Distribution La boucle Locale - Transport Câbles de moyenne capacité Partie connectant les sous-répartiteurs à un répartiteur Câbles de forte capacité Partie reliant les points de raccordement à un sousrépartiteur. Chaque paire de cuivre correspondant à un client est reliée au répartiteur. Le répartiteur reçoit l ensemble des lignes d usager et les répartit sur l ensemble du central téléphonique grâce à une jarretière. Le répartiteur est un équipement passif de câblage centralisant les lignes de la zone de desserte du CAA. Le répartiteur assure la correspondance entre une ligne et un équipement téléphonique. 17 18 3

Communication entre le téléphone et le central Communication entre le téléphone et le central (2) Chaque téléphone grand public est connecté à un central RTC. Connexion via une paire de fils de cuivre Diamètre 0.5 mm environ Impédance de 600Ω Lors d une communication : Transporte une composante continue d alimentation du poste Transporte le signal vocal Nouveaux systèmes Câbles coaxiaux ou fibre optique pour augmenter la bande passante. 19 20 Numérotation Numérotation par impulsions numérotation par impulsion ou numérotation décimale ou numérotation par ouverture de boucle Utilisée par les téléphones à cadran rotatif (poste à disque) Courant continu et interrompu en un nombre de fois correspondant au chiffre envoyé. 1 impulsion pour le 1 2 impulsions pour le 2 10 impulsions pour le 0 Une impulsion dure 100ms, 2 trains d impulsion sont séparés d au moins 200ms. 21 22 Numérotation par impulsions (2) Numérotation par fréquences vocales principe très lent Fréquences vocales ou DTMF (dual tone multi frequency) Génère des sonorités codées Émet des fréquences spécifiques dans la bande 300Hz- 3400Hz Mais si une seule fréquence associée à un chiffre, un sifflement peut provoquer une erreur de numérotation. solution : émission de 2 fréquences simultanées par chiffre Fréquences normalisées au plan international (norme UIT- T-Q.23) 23 24 4

Numérotation par fréquences vocales (2) En appuyant sur une touche, on émet 2 tonalités, correspondant à l intersection de l axe horizontal et de l axe vertical. Transmission de la voix Bande passante du téléphone : de 300Hz à 3.4kHz Bande de fréquences dans laquelle se situe l énergie vocale Permet une conversation fiable Explique la difficulté de différencier les «b», «p» et «d» au téléphone. En communication, signaux vocaux modulés en amplitude dans cette bande de fréquences. 25 Les commutateurs supervisent et détectent le raccrochage de l un des postes pour libérer la ligne et arrêter la taxation. 26 Transmission des données Permise grâce à la numérisation des commutateurs Modem = interface qui permet de véhiculer les données numériques en les modulant en signal analogique La boucle locale radio Vitesse de modulation : 56 kbauds.? Lenteur Occupation de la ligne téléphonique durant la connexion Internet 27 28 La BLR WiMax Boucle locale radio (BLR) ou Wireless Local Loop (WLL) ou WMAN (Wireless MAN) Utilisée là où le câblage est difficile, dans les zones isolées ou trop éloignées géographiquement des métropoles. IEEE 802.16 (ou WiMax = Worldwide Interoperability for Microwave Access.) Norme débutée en 1999 et aboutie en avril 2002, permet une production de masse et une baisse des prix. objectifs du WiMAX : fournir une connexion internet à haut débit sur une zone de couverture de plusieurs kilomètres de rayon. permettre une connexion sans fil entre une station de base (en anglais Base Transceiver Station, notée BTS) et des milliers d'abonnés sans nécessiter de ligne visuelle directe (en anglais Line Of Sight, parfois abrégés LOS) ou NLOS pour Non Line Of Sight). 29 30 5

WiMax - Principes WiMax Principes (2) Le cœur de la technologie WiMAX est la station de base, c'est-à-dire l'antenne centrale chargée de communiquer avec les antennes d'abonnés (subscribers antennas). liaisons point-multipoints Zones à couvrir quadrillées par des stations de base 31 32 WiMax Principes (3) WiMax Principes (4) Spectre de fréquences étendu De 2 à 11 GHz 3.5 GHz en France Type d ondes millimétriques, proche de la lumière Se propagent en ligne droite La station de base peut disposer de plusieurs antennes, une par secteur (comme en GSM), chaque secteur étant indépendant. Utilise l OFDM et l OFDMA et les antennes intelligentes OFDM = Orthogonal Frequency Division Multiplexing L'idée de base de l'ofdm réside dans le fait de répartir un train binaire haut-débit en une multitude de trains (ou canaux), lesquels étant modulés à bas-débits Chacun de ces sous-canaux est modulé par une fréquence différente, l'espacement entre chaque fréquence restant constant. Ces fréquences constituent une base orthogonale : le spectre du signal OFDM présente une occupation optimale de la bande allouée mais nous verrons cela en détail plus tard. OFDMA = Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access Version multi-accès de OFDM 33 34 WiMax Principes (5) WiMax - Débits OFDM dans WiMax : 3 modulations Pour les abonnés proches Signal fort Modulation QAM-64 à 6b/s Pour les abonnés moyennement proches Modulation QAM-16 à 4b/s Pour les abonnés lointains Modulation QPSK (4 phases) à 2b/bauds Allocation de la bande passante Duplexage fréquentiel (FDD Frequency Division Duplexing) BP divisée en canaux Affectation des canaux (montants ou descendants) suivant algorithme particulier Duplexage temporel (TDD Time Division Duplexing) Temps divisé en trames Trames divisées en slots de temps 35 Dans la théorie, le WiMAX permet d'obtenir des débits montants et descendants de 70 Mbit/s avec une portée de 50 kilomètres. Dans la réalité le WiMAX ne permet de franchir que de petits obstacles tels que des arbres ou une maison mais ne peut en aucun cas traverser les collines ou les immeubles. Le débit réel lors de la présence d'obstacles ne pourra ainsi excéder 20 Mbit/s. 36 6

La BLR Les débits Environnement Taille de la cellule Débit par secteur d'antenne Urbain intérieur (NLOS) 1km 21 Mbit/s (canaux de 10 MHz) Rurbain intérieur (NLOS) 2,5 km 22 Mbit/s (canaux de 10 MHz) Rurbain extérieur(los) 7km 22 Mbit/s (canaux de 10 MHz) Rural interieur (NLOS) 5,1 km 4,5 Mbit/s (canaux de 3,5 MHz) Rural extérieur (LOS) 15 km 4,5 Mbit/s (canaux de 3,5 MHz) WiMax évolutions du standard Les révisions du standard IEEE 802.16 se déclinent en deux catégories : WiMAX fixe IEEE 802.16-2004 pour un usage fixe antenne montée sur un toit, à la manière d'une antenne TV. bandes de fréquence 2.5 GHz et 3.5 GHz, pour lesquelles une licence d'exploitation est nécessaire, ainsi que la bande libre des 5.8 GHz. WiMAX mobile (en anglais WiMAX portable) IEEE 802.16e prévoit la possibilité de connecter des clients mobiles au réseau internet. Le WiMAX mobile ouvre ainsi la voie à la téléphonie mobile sur IP ou plus largement à des services mobiles haut débit. 37 38 WiMax évolutions du standard Standard Bande de fréquence Date Etat IEEE std 802.16 Réseaux métropolitains sans fil - bandes de fréquences oct-02 supérieures Obsolète à 10 GHz. IEEE std 802.16a Réseaux métropolitains sans fil - bandes de fréquences 09-oct-03 de 2 Obsolète à 11 GHz. IEEE 802.16b Réseaux métropolitains sans fil - bandes de fréquences de 10 Fusionné à 60 GHz. avec 802.16a (Obsolète) IEEE std 802.16c Options (profils) pour les réseaux métropolitains sans fil dans les bandes de fréquences juil-03 libres. RNIS IEEE 802.16d (IEEE std 802.16-2004) Révision intégrant les standards 802.16, 1 er octobre 802.16a 2004 et 802.16c. Actif IEEE std 802.16e Possibilité d'utilisation de réseaux métropolitains sans fil avec 2006 des clients mobiles. IEEE std 802.16f Possibilité d'utilisation de réseaux sans fil maillés (mesh network). 2005 39 40 RNIS RNIS RNIS = Réseau Numérique à Intégration de Services Ou ISDN pour Integrated Services Digital Network Accès de l'abonné au réseau téléphonique via un accès numérique Accès numérisé Transmission numérisée Conçu pour associer la voix, les données, la vidéo et tout autre application ou service. Les réseaux RNIS bande de base fournissent des services à faible débit : de 64Kbps à 2Mbps. RNIS combine la large couverture géographique d'un réseau téléphonique la capacité de transport d'un réseau de données supportant simultanément la voix, les données et la vidéo. En France, les connexions RNIS sont disponibles sous la dénomination commerciale Numéris. Le réseau national de télécommunication a été entièrement numérisé. Les protocoles d'accès implantés par France Télécom sont conformes au standard Euro-ISDN publié par l'etsi7 et l'itu8. L'actuelle technologie ATM dédiée au réseaux grandes distances (WAN) faisait à l'origine partie des définitions RNIS sous la dénomination RNIS large bande pour les services à haut débit : de 10Mbps à 622Mbps. 41 42 7

RNIS Architecture Multiplexage des canaux : 43 44 Couche 2 - Canal B Couche 2 - Canal D 3 modes de connexion : Commutation de circuits Le circuit est établi, maintenu et libéré en utilisant la signalisation du canal D. Les données utilisateur sont échangées sur les canaux B avec les protocoles utilisateur. Mode semi-permanent Le circuit est établi entre les utilisateurs et le réseau pour une durée délimitée ou non. Une fois le circuit établi, le canal D n'est plus nécessaire pour la signalisation. Commutation de paquets Une connexion en mode commutation de circuits doit être établie entre l'abonné RNIS et un nœud du réseau à commutation de paquets sur le canal B. Cette connexion en mode commutation de circuits implique l'utilisation de la signalisation du canal D. Le réseau à commutation de paquets peut être partiellement RNIS. RNIS peut fournir un service de commutation de paquets sur les canaux B (protocole X.31a). 45 3 types de services sur le canal D : signalisation, commutation de paquets, télémétrie. Ces services sont tous intégrés dans le même protocole de niveau 2 appelé LAP-D. LAP-D proche de la normalisation X25.2 : trames HDLC normalisé par l'itu : spécifications Q.920 et Q.921. principale différence réside dans l'adressage L'adressage LAP-D permet de gérer les liaisons multipoints : plusieurs services pour une même interface ou diffusion d'un message vers toutes les interfaces. La taille maximale de trame est limitée à 260 octets. 46 Appel Fin de communication 47 48 8

xdsl Les technologies xdsl Le sigle xdsl regroupe plusieurs variantes de techniques de transmissions hauts débits (ADSL, HDSL, SDSL, VDSL, etc). Ces techniques utilisent la ligne téléphonique. Une paire de cuivre offre une bande passante de 1Mhz, or seulement 4khz sont utilisés pour la transmission de la voix. Les technologies xdsl exploitent cette bande passante supplémentaire pour créer ainsi deux voies de communications. Les versions des technologies xdsl diffèrent par le nombre de paires téléphoniques utilisés (1 ou 2) le choix des fréquences porteuses le type de modulation utilisé. 49 50 xdsl (2) xdsl (3) Les technologies xdsl reposent sur le concept de «super modems» modulateurs-démodulateurs à très hautes performances, placés aux extrémités d une ligne en paires torsadés pour réaliser une ligne d abonné numérique. Dans la chaîne qui relie l internaute, le point faible se situe sur la partie reliant le modem du particulier au central téléphonique : Jonction constituée de fils de cuivre La voix n utilise qu une bande passante de l ordre 3.3 khz. Ainsi, xdsl = optimisation de la boucle locale.* Ne pas négliger l effet de la distance à parcourir Techniques de modulation poussée trop risquées sur de longues distances 28Mb/s pour 1km 3Mb/s pour 5km Les services diffèrent en fonction du lieu de l abonné. La modification des modems permet d'optimiser l'utilisation de ces lignes les paires de cuivre peuvent supporter des débits allant de 1.5 Mbits/s à 10 Mbits/s suivant la distance et donc capables de transporter de la vidéo. 51 52 xdsl - architecture Les différentes techniques ADSL : Asymetric DSL La plus répandue 2 canaux destinés aux données avec un débit max variable selon le code en ligne et la distance Conservation de la bande passante pour la téléphonie Flux important >>> flux descendant HDSL : High bit-rate DSL Full duplex Exploite 2 ou 3 paires téléphoniques SDSL : Symetric DSL VDSL : Very High Bit Rate DSL 53 RADSL : Rate Adaptative DSL 54 9

Les différentes techniques (2) ADSL : Asymetric DSL HSL : High bit-rate DSL SDSL : Symetric DSL Version monoligne de HDSL VDSL : Very High Bit Rate DSL Désignation commune à toutes les déclinaisons DSL offrant un débit réseau vers abonnés de 13Mb/s à 51Mb/s Asymétrique En cours de développement Les technologies xdsl ADSL RADSL : Rate Adaptative DSL Extension de la variante ADSL Adapte le débit du modem à des vitesses de replis lorsque la transmission se dégrade 55 56 ADSL - historique ADSL Né d'un besoin d'avoir une technologie permettant le transport de données de n importe quel type, à haut débit et qui est un coût raisonnable. ADSL : Asymetric DSL Utilisation de 3 canaux Solution de l ADSL préférée à celle de la fibre optique malgré de moins bonnes caractéristiques, car la mise en place est beaucoup moins coûteuse pour l ADSL sachant qu elle utilise les paires cuivrées du téléphone déjà en place. Dates importantes : 1987 naissance de l'adsl dans les laboratoires américains de BellCore 1994-1999 expérimentation par France Telecom 1996 expérimentation de la télévision numérique par l'adsl 1999 première commercialisation 57 58 ADSL Codage Utilisation de 3 canaux Codages DMT : Discrete Multi Tone CAP : Carrierless Amplitude Phase Ces 2 techniques utilisent la modulation QAM mais diffèrent dans la façon de l appliquer. 16 bits transportés à chaque signal DMT 256 canaux de 4,3 khz (1 canal par symbole) Un canal permet la transmission de 15 bits par hertz 17 canaux pour les données montantes 225 canaux pour les données descendantes 59 60 10

Codage (2) Codage (3) Modulation DMT : Modulation CAP : Développée par une entreprise américaine AT&T Permettant de coder jusqu'à 9 bits par symbole. On peut ainsi transmettre la même quantité d'informations sur une bande de fréquence réduite, d'où une diminution de l'atténuation et une distance maximale plus grande. Proche de la QAM En diffère en ce qu'elle écrit en mémoire certaines parties du signal modulant avant de les réassembler sur le signal modulé. La porteuse n'est pas transmise, puisqu'elle ne contient aucune information d'ou l appellation carrierless. Solution propriétaire peu développée 61 62 Séparation des canaux Séparation des canaux (2) Les modems ADSL créént des canaux multiples en divisant la largeur de bande disponible suivant deux types : FDM (Frequence Division Multiplexing) annulation d échos FDM assigne Une bande pour les données descendantes Une bande pour les données ascendantes L annulation d écho: Utilisation toute la bande passante réservée aux données. Comme la station émettrice sait ce qu elle envoie, elle fait la différence avec le signal reçu pour reconstituer le signal envoyé. 63 64 Équipement Équipement (2) Côté abonné : Modem ADSL Filtre ou splitter Un filtre passe-bas permettant de ne garder que la bande de fréquence de 0 à 4.3 KHz. Un filtre passe-haut ne gardant uniquement que les fréquences plus hautes. 65 Côté opérateur : DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) relié aux clients ADSL via la paire de cuivre. récupère les flux «voix» et «Internet» flux voix aiguillé vers le RTC flux Internet vers le BAS en empruntant le réseau de collecte ATM Brasseur ATM assure la diffusion des données transitant sur le réseau de collecte ATM BAS (Broadband Access Server) assure la liaison vers les FAI au travers du réseau de collecte IP. Répartit le flux Internet sur le réseau ATM en direction des DSLAM Assure le lien avec le PAS pour l'authentification et la facturation. PAS (Plate-forme d Accès aux Services) Permet l identification et la facturation. 66 11

Cheminement Protocoles 67 68 Connexion Connexion (2) Etape 1 : L'abonné saisit son idéntifiant et mot de passe donnés par son FAI. Ses informations transitent alors jusqu'au BAS. Etape 2 : Le BAS envoie les données vers le PAS pour demander l'identification de l'abonné. 69 Etape 3 : Le PAS fais alors suivre cette demande vers les serveurs Radius du FAI concerné. Etape 4 : Le FAI renvoie alors une autorisation au PAS, positive ou négative. Etape 5 : A son tour le PAS renvoie cette autorisation au BAS, en y ajoutant le contexte de l'abonné (débit de la connexion, temps de connexion...) 70 Connexion (3) Connexion (4) Etape 6 : Le BAS transmet alors les données vers le réseau du FAI, au travers du réseau backbone de collecte IP. Une fois atteint, il établi un tunnel L2TP. Ce dernier permet d'assurer la continuité de la liaison point à point entre l'abonné et son FAI. Etape 7 : Une fois dans le réseau du FAI, une demande d'authentification est alors envoyée vers les serveurs radius du provider en question. Ceci pour vérifier si l'identifiant est bien connu. 71 Etape 8 : L'autorisation est accordée ou non, avec en plus le rajout d'une adresse IP qui est propre à l'abonné. Etape 9 : Au final la connexion PPP est établie entre l'abonné et le fournisseur d'accès. Il peut à présent envoyer et recevoir des données. 72 12

La téléphonie mobile les réseaux cellulaires 1956 : premier réseau commercial mobile en France Volumineux Gourmand en énergie Nécessite une très grand énergie téléphone de voiture Réseau manuel avec opératrice Historique Un seul couple d abonnés peut communiquer en même temps. Fonctionne dans la bande des 150MHz Portée limitée Coût élevé Complexité d utilisation Arrêté en 1973 en comptant 500 abonnés 73 74 Historique (2) Historique (3) De 1973 à 1986 : réseau de correspondance publique Évolution lente Plusieurs abonnés peuvent téléphoner en même temps. (apparitions de canaux simultanés) Dans les années 1980, la France accuse un retard important dans la téléphonie mobile. Le seul réseau en place : Ne permet qu un nombre limité d utilisateurs. N est disponible que dans les grandes agglomérations Utilise des terminaux trop volumineux pour être facilement portables. Le ministère lance Radiocom 2000 Le réseau de correspondance publique fonctionnera jusqu à la fin des années 1980. 1986 : RadioCom 2000 Bande de fréquence des 400MHz Utilise la technologie numérique pour la signalisation et la modulation analogique pour la voix. Fréquences attribuées dynamiquement en fonction des besoins. Première notion de téléphone cellulaire Les fréquences sont attribuées au sein d une cellule. Apparition du hand Over Couvre la totalité du territoire Batterie rechargeable au Nickel Cadmium Antenne plus petite Terminal toujours volumineux Très cher (appareil + abonnement) 75 76 Historique (4) Les générations 1982 : lancement d études d un système de telécommunication sans fil universel par un consortium d opérateurs européens 1987 : Groupe Spécial Mobile Cahier des charges Terminaux compatibles quel que soit le pays, reconnus par une carte SIM Transmission numérique pour la signalisation et la voix Terminal de petite taille 1989 : Appel d offre lancé pour déréguler le marché et compléter RadioCom Réponse avec le standard NMT-F Technologie similiaire à RadioCom 1991: lancement du service commercial GSM 77 1G Radiocom 2000 Bibop Radiocom 2000 France Telecom 2G GSM Global System for Mobile Communicatio 2.5G GPRS General Packet Radio Service 2.75G EDGE Enhanced Data Rate for GSM Evolution 3G UMTS Universal Mobile Telecommunications Sys 3.5G HSDPA High Speed Downlink Packet Access 4G OFDM WimaxOrthogonal Frequency Division Multiplex 78 13

Les différents types d accès au canal Les différents types d accès au canal FDMA : Frequency Division Multiple Access FDMA : Frequency Division Multiple Access Découpage de la bande de fréquences en plusieurs porteuses simplicité, proche du modèle analogique faible utilisation spectrale, interférences élevées TDMA : Time Division Multiple Access TDMA : Time Division Multiple Access Une seule porteuse, simplifie la radio fréquence Nécessite une synchronisation temporelle fine étalement temporel, délais FTDMA : Frequency and Time Division Multiple Access FTDMA : Frequency and Time Division Multiple Access CDMA : Code Division Multiple Access CDMA : Code Division Multiple Access 79 80 Les différents types d accès au canal Les différents types d accès au canal FDMA : Frequency Division Multiple Access FDMA : Frequency Division Multiple Access TDMA : Time Division Multiple Access TDMA : Time Division Multiple Access FTDMA : Frequency and Time Division Multiple Access FTDMA : Frequency and Time Division Multiple Access La bande de fréquence est découpée en plusieurs porteuses. Chaque porteuse est découpée dans le temps. Principe du GSM. CDMA : Code Division Multiple Access Utilisation de codes orthogonaux CDMA : Code Division Multiple Access 81 82 Les différents types d accès au canal Forme des cellules Système cellulaire Année d'introduction Type de transmission Technique d'accès Bande au canal de fréquencegénération couverture d'une surface 2D Pavage du plan RadioCom / NMT-900 1,99E+03 Analog FDMA 12.5kHz First bal System for Mobile (GSM) 1,99E+03 Digital TDMA 200kHz Second e Tele-communications System >2000 (UMTS) Digital CDMA/ TDMA - Third 83 84 14

Pourquoi des hexagones réguliers? Forme des cellules (2) Equidistance distance inter-cellules Réseaux cellulaires Pour simplifier! Plus proche du cercle Maximise la couverture du plan 85 En réalité : cellules déformées Topographie (3D) : Bâtiments, collines,... Propagation irrégulière : Conditions atmosphériques changeantes, électromagnétisme variables Limitations pratiques : Positionnement des antennes 86 Organisation des cellules Organisation des cellules Capacité cellulaire Système avec S canaux Les canaux sont alloués à un cluster de N cellules, k canaux par cellule. Un motif utilise les S=kN canaux. Le motif est répété M fois. Capacité du réseau : C = MkN 87 88 Interférences co-canal Comment placer deux cellules qui ont la même fréquence? de façon régulière optimale, Minimisant les interférences. Distance co-canal D = i+j N = i²+j²+ij Interférences co-canal (2) On s inspire de la théorie des graphes et de la coloration de graphe. Un graphe est un ensemble de nœuds et d arêtes reliant ces nœuds. Dans notre cas, chaque nœud représente une cellule GSM, et les arêtes correspondent à une contrainte de non interférence. Le coloriage de graphe consiste à colorier les sommets du graphe avec un minimum de couleurs, sous la contrainte que 2 sommets voisins ne soient jamais de la même couleur. Si R est la taille de la cellule, et Q le facteur de réutilisation : Q = D/R = (3N) Les cellules jaunes sont les 6 voisines co-canal de la cellule rose. 89 90 15

Interférences co-canal (3) Taille des clusters en fonction de i et j i j 1 2 3 4 1 3 7 13 21 2 7 12 19 28 La téléphonie mobile les réseaux cellulaires Le GSM 3 13 19 27 37 4 21 28 37 48 91 92 Architecture GSM Architecture GSM (2) Architecture hiérarchique Standardisée Sous-système radio BSS (Base Station Sub-System) Sous-système d acheminement ou réseau fixe NSS (Network Sub-System) Sous-système d exploitation et de maintenance OSS (Operation Sub-System) 93 94 Architecture GSM -composants BTS BSS BTS : Base Transceiver Station Émetteur récepteur BSC : Base Station Controller Contrôle un ensemble de BTS NSS MSC : Mobile Services Switching Center Commutateurs mobiles VLR : Visitor Location Register HLR : Home Location Register Bases de données de localisation et de caractérisation des abonnés EIR : Equipement Identity Register Base de données des équipements terminaux AUC : Authentication Center Base des utilisateurs 95 Constituée de un à plusieurs émetteurs récepteurs (TRX). Modulation/démodulation Égalisation, codage, correction d erreurs Mesures radio transmises au BSC 1 TRX = 1 porteuse = 7 communications 96 16

BSC HLR Partie intelligente du BSS Gestion des ressources radio Allocation de fréquences Contrôle de puissance mobile/bts Décision et exécution des handovers Reçoit les mesures des BTS Commutateurs Mémorise les caractéristiques d un abonné Données statiques Identification internationale Numéro d abonné Profil d abonnement Données dynamiques Localisation (Mémorise le VLR où l abonné est connecté, y compris à l étranger) État du terminal 97 98 VLR MSC VLR = Visitor Location Register MSC = Mobile Switching Center base de données locale Commutateur numérique en mode circuit du service mobile En général, un VLR par commutateur MSC Oriente les signaux vers les BSC Contient les informations relatives aux abonnés présents dans la Location Area (LA) associée Établit la communication en s appuyant sur les BD Même info que dans HLR + identité temporaire (TMSI) + localisation Gestion des handovers entre BSC mis à jour à chaque changement de cellule d un abonné 99 Gestion du VLR Passerelle avec les RTC 100 OSS AUC Contrôle de performances AUC AUthentification Center Administration commerciale Contrôle l identité des abonnés et assure les fonctions de cryptage Gestion de la sécurité Maintenance Authentification de l abonné: Subscriber Identity Module (carte SIM) contient plusieurs clés secrètes EIR Base de données des terminaux Contrôle de l homologation Déclaration de vol Cryptage des données au niveau du terminal 101 102 17

EIR Couches protocolaires EIR = Equipment Identity Register Empêche l accès au réseau aux terminaux non autorisés (terminaux volés) A chaque terminal correspond un numéro d identification: le IMEI (International Mobile Equipment Identity) A chaque appel, le MSC contacte le EIR et vérifie la validité du IMEI Dans un réseau fixe, les mêmes couches de protocoles se trouvent dans le terminal ET l équipement d accès au réseau (commutateur). Dans le GSM, la station mobile se connecte à la BTS pour accéder au réseau mais, l accès est répartit entre La BTS Le BSC Le MSC Toutes les couches sont sur le mobile. Côté réseau, les couches sont réparties entre les équipements. 103 104 Couches protocolaires (2) Couches protocolaires (2) Couche 3 : RR : Radio Couche 2 : fiabilise la Ressource gestion de transmission la ressource radio Couche 3: MM : Mobility Management Couche 3 : CM rendre : transparent Connection l itinérance à l abonné Management fonction ne pouvant être prise en compte que sur la partie fixe du réseau. Couche 1 : traite tous les aspects de la transmission radio 105 106 Interfaces Les sous-couches réseau sur la Radio 3 sous-couches RR : Radio Ressource MM : Mobility Management CM Connexion Management Pas d encapsulation Un message CM traverse les couches MM et RR sans ajout d entêtes) Format des messages commun au trois sous couches. 107 108 18

RR MM Gestion de la connexion radio entre le mobile et le BSC. Etablissement d un canal dédié. Rétablissement du canal lors d un changement de cellule (handover). 3 rôles différents: Gestion de la mobilité Génère des échanges entre le mobile et le réseau (MAJ localisation) Gestion de la sécurité Echange de messages particuliers lors de la plupart des demandes de services Gestion des connexions MM Une seule connexion RR active à la fois. Connexions MM Permet à la couche CM de faire abstraction des problèmes liés à l itinérance et à la radio Établie sur demande implicite de la sous couche CM (envoi d appel ou de SMS) via le premier message CM envoyé 109 110 CM La numérotation Gestion des appels usagers Acheminements et établissement des appels d un abonné Interaction avec le protocole MAP gérant les dialogues avec le NSS. Il existe un grand nombre de numéros lors d un appel. MSRN identité extérieure invariante de l abonné (numéro d appel) IMSI identité intérieure invariante de l abonné TMSI (Temporary Mobile Station Identity) Identifie la liaison Mobile-BTS sur un MSC Zone gérée par un VLR Non connue du HLR Taille réduite (4 octets) Changement de VLR changement de TMSI MSRN (Mobile Station Roaming Number) Routage du G-MSC vers le MSC courant Attribué par le VLR Numéro de téléphone classique 111 112 La numérotation (2) Réseaux cellulaires : Connexion Mise sous tension Selection d'un canal de contrôle (le plus fort) Handshake : identification du mobile Appel demandé Transmission de la demande au centre de commutation (MTSO) du cluster 113 114 19

Recherche du destinataire Réseaux cellulaires : Connexion Localement (diffusion sur le cluster) ou non Acceptation d'appel Création d'un circuit entre les cellules concernées Sélection des canaux de trafic disponibles Communication Bla bla bla Réseaux cellulaires : Connexion 115 116 Transfert de cellule Transfert de cellule (2) Quid de la mobilité? Fonctions du hand-over permettre aux usagers de se déplacer en cours d appel éviter la rupture du lien (rescue handover) minimiser les interférences (global et par rapport à un lien) Handover : changement de BTS, de BSC ou de MSC Mise à jour localisation (VLR, HLR) Roaming : changement de réseaux optimiser l utilisation des ressources radio équilibrer la charge de trafic entre les cellules Quand faut-il changer de BTS? Faiblesse du signal / batterie Surcharge du BTS Priorité à un mobile en-ligne plutôt que hors-ligne 117 baisser la consommation d énergie des mobiles 118 Transfert de cellule (3) Micro-mobilité : Transfert de cellule (4) Objectif : maintenir une qualité de communication suffisante entre le mobile et le réseau à travers un changement de fréquence ou de cellule. Handover inter-cellulaire Mesures physiques montrent qu'il existe une meilleure cellule (conséquence de la mobilité) Équilibrage du trafic : transfert de cellules vers des cellules voisines (directed retry) Handover intra-cellulaire Lorsque la dégradation du signal est due aux interférences et non pas à l'éloignement de la BTS. Ne modifie le circuit de parole qu'au niveau BTS et éventuellement BSC. 119 120 20

Principes de base Pendant la communication : mesure et évaluation périodique du lien radio. Si situation anormale : alarme BSC MSC MSC identifie une cellule cible et/ou un nouveau canal sur des critères de trafic : Si ok : handover déclenché Sinon : la communication continue sur le même canal et des handovers sont périodiquement tentés. Après handover, l ancien canal est libéré 3 types de handovers Soft : canal libéré après le changement de cellules (CDMA) Seamless : canal libéré pendant le changement de cellules (DECT) Hard :canal libéré avant le changement de cellules (GSM) Caractéristiques générales Il existe des handovers sur demande explicite du MSC (sur-charge BSC) 121 122 Caractéristiques générales (2) Tramage Partage FTDMA Largeur totale de 25MHz, Ctheo = 50 Mb/s 124 canaux fréquentiels de 200kHz Trames de 8 slots de temps Format d un burst Partage en temps (TDMA) La durée élémentaire d un slot vaut environ 0.5769 ms Un slot accueille un élément de signal radioélectrique appelé burst. Chaque usager utilise un slot par trame TDMA. Les slots sont numérotés par un indice TN qui varie de 0 à 7. Les concepteurs de GSM ont prévu la possibilité de n allouer à un utilisateur qu un slot toutes les 2 trames TDMA. 1 paquet voix = 456bits 123 124 Tramage Saut de fréquences Tramage hiérarchique Saut de fréquences Pour limiter les évanouissements sélectifs, c est-à-dire une diminution momentanée de la puissance de l onde radioélectrique lors de la réception, grâce à la diversité en fréquences Activé lorsque la charge du réseau devient importante Réservation du slot 0 pour 1 fréquence de chaque base pour la voie balise 125 126 21

GSM et le transfert de données GSM réseau à commutation de circuits Piètre gestion des ressources radio : ligne monopolisée dans tout le réseau pour un trafic de données de nature très sporadique Coût des communications : tarif fonction de la durée, pas de la quantité de données HSCSD : payer tous les canaux utilisés?! La téléphonie mobile les réseaux cellulaires Le GPRS Infrastructure lourde, peu flexible GSM non adapté au transfert de données 127 128 GPRS GPRS (2) GPRS : General Packet Radio Service Pas un réseau à part entière, juste une couche du GSM Données en mode non connecté, par paquets Objectif: accès mobile aux réseaux IP Repose sur la transmission en mode paquet. principe retenu par exemple pour le protocole X.25, permet d'affecter à d'autres communications les "temps morts" d'une première communication (attente d'une réponse à une requête Internet par exemple). Conçu pour réutiliser au maximum les infrastructures GSM existantes, le déploiement du GPRS nécessite la mise en place d'une infrastructure réseau basée sur la commutation de paquets et l'introduction de passerelles pour s'adosser aux réseaux GSM existants. 129 Débits par utilisateur jusqu'à 115 kb/s (contre 9,6 kb/s pour le GSM) Fonctionnalités intéressantes : plusieurs canaux peuvent être alloués à un utilisateur ; ces mêmes utilisateurs peuvent partager un même canal ; le débit est indépendant des liens montant et descendant. Services Accès internet Accès aux emails avec pièces jointes plus rapidement Applications professionnelles de transfert de données et de sécurité (norme GPRS présente dans les horodateurs et ascenseurs pour la télésurveillance, etc) Mêmes bandes de fréquences que le GSM 130 Avantages du GPRS Architecture GPRS Débit théorique 160 kbit/s En pratique plutôt 30 kbit/s Facturation à la donnée Connexion permanente possible 131 132 22

Etat du marché en 2002 Etat du marché en 2002 3,7 millions d abonnés GPRS en Europe (300 millions pour le GSM) Taux de pénétration: 1,2% (GSM 60 %) Revenu par utilisateur: 4 (Voix 33 ) Manque de succès commercial Pas d applications décisives pour le grand public Réseaux GSM déjà saturés Stratégie marketing souvent floue La téléphonie mobile les réseaux cellulaires L UMTS 133 134 UMTS UMTS (2) UMTS : Universal Mobile Telecommunications System Codage CDMA Se combine aux réseaux déjà existants. GSM = voix GPRS = data UMTS = Multimédia. Apport de nouveaux services Fonctionne en mode paquets. Vitesse de transmission jusqu à 2 Mb/s. Permet l'élargissement des fréquences ainsi que la modification du codage des données. Nécessité d achat de licence Modifications majeures sinon totales des éléments de base du réseau (station / antenne) coûts importants Sur le plan technique, les architectures des trois réseaux GSM, GPRS et UMTS sont complémentaires et interconnectées afin d'optimiser la qualité de service rendue à l'abonné. 135 136 Architecture UMTS Débits Temps moyen pour envoyer un courrier électronique avec un document attaché de 10 pages : Norme Débit Temps nécessaire GSM actuel 9,6 kbit/s 7 min. Modems classiques (V90) 57,6 kbit/s 70 sec. RNIS 128 kbit/s 31 sec. GPRS 144 bit/s * 28 sec. EDGE 384 kbit/s * 10 sec. UMTS 2 Mbit/s 2 sec. 137 * Dans les conditions optimales 138 23

Transmissions et Protocoles Nathalie Mitton Nathalie.mitton@inria.fr (LIFL, projet INRIA/CNRS/USTL POPS) 24