Les Réseaux Mobiles : UMTS

UMTS

Présentation

Il existe plusieurs technologies 3G dans le monde. Chacune d’elles suivent les recommandations IMT2000. Suivant les continents, la norme utilisée est différente :
Europe : UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
Amérique : CDMA-2000
Japon et Corée : W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access)
Chine : TD-SCDMA

Ces normes permettent de transporter les données sans-fil à haut-débit sur la même connexion. La particularité des technologies 3G est d’avoir un réseau cœur IP.

L’UMTS est donc la norme de télécommunications de troisième génération utilisée en Europe et est basée sur la technologie W-CDMA (utilisée au Japon et Corée). Elle a été développée à partir de 2004 avec la Release 99 (R99). Sa bande de fréquence de fonctionnement est 1900MHz-2000MHz. Les spécifications techniques de cette norme sont développées au sein de l’organisme 3GPP.

L’UMTS est compatible avec tous les réseaux du monde du fait de la possibilité de roaming au niveau mondial. Le réseau UMTS ne remplace pas le réseau GSM existant puisque la coexistence entre ces deux réseaux est possible.

Plans des fréquences

Le schéma ci-dessous présente le plan de fréquence de la téléphonie de 3ème génération en Europe, Japon et Etats-Unis :

Plan de fréquences

Figure 2 – Plan de fréquences pour la 3G

Hiérarchie des cellules de l'UMTS

Tout comme le réseau GSM, l’UMTS est divisé en plusieurs cellules de tailles variables. Chacune d’entre elles est présente en fonction de la densité de population à servir et de la vitesse de mobilité. L’accès par satellite est une extension.

Hiérarchie des cellules en UMTS

Figure 3 – Hiérarchie des cellules de l’UMTS

Une pico-cellule permet des débits de l’ordre de 2 Mbits/s lors d’un déplacement de l’ordre de 10 km/h (marche à pied, déplacement en intérieur, etc.).
Une micro-cellule permet des débits de l’ordre de 384 kbits/s lors d’un déplacement de l’ordre de 120 km/h (véhicule, transports en commun, etc.).
Une macro-cellule permet des débits de l’ordre de 144 kbits/s lors d’un déplacement de l’ordre de 500 km/h (Train à Grande Vitesse, etc.).

Les services de l'UMTS

Le schéma ci-après présente les différents services que propose l’UMTS. Sur l’axe des ordonnées se trouve le débit demandé pour le service en question. Chacun des services est regroupé par leur type de connexion (bidirectionnel, unidirectionnel, diffusion point/multipoint).

Besoins en d�bits des services de l'UMTS

Figure 4 – Les besoins en débit des services de l’UMTS

Le réseau UMTS

Le réseau UMTS est composé d’un réseau d’accès UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) et d’un réseau cœur.

Architecture globale du réseau UMTS

Figure 5 – Architecture globale du réseau UMTS

Réseau d'accès Utran

Le réseau d’accès UTRAN est doté de plusieurs fonctionnalités. Sa fonction principale est de transférer les données générées par l’usager. Il est une passerelle entre l’équipement usager et le réseau cœur via les interfaces Uu et Iu. Cependant, il est chargé d’autres fonctions :

Le réseau d’accès UTRAN est composé de plusieurs éléments : une ou plusieurs stations de base (appelées NodeB), des contrôleurs radio RNC (Radio Network Controller) et des interfaces de communication entre les différents éléments du réseau UMTS.

Architecture du réseau d'accès

Figure 6 – Architecture du réseau d’accès

NodeB :
Le rôle principal du NodeB est d’assurer les fonctions de réception et de transmission radio pour une ou plusieurs cellules du réseau d’accès de l’UMTS avec un équipement usager. Le NodeB travaille au niveau de la couche physique du modèle OSI (codage et décodage). Nous pouvons trouver deux types de NodeB :

NodeB avec antennes sectorielles

Figure 7 – NodeB avec antennes sectorielles

NodeB avec antenne omnidirectionnelle

Figure 8 – NodeB avec antenne omnidirectionnelle

Les interfaces de communication :
Plusieurs types d’interfaces de communication coexistent au sein du réseau UMTS :

RNC :
Le rôle principal du RNC est de router les communications entre le NodeB et le réseau cœur de l’UMTS. Il travaille au niveau des couches 2 et 3 du modèle OSI (contrôle de puissance, allocation de codes).
Le RNC constitue le point d’accès pour l’ensemble des services vis-à-vis du réseau cœur.

Exemple :
Lorsqu’une communication est établie par un équipement usager, une connexion de type RRC (Radio Resource Control) est établie entre celui-ci et un RNC du réseau d’accès UTRAN. Dans ce cas de figure, le RNC concerné est appelé SRNC (Serving RNC). Si l’usager se déplace dans le réseau, il est éventuellement amené à changer de cellule en cours de communication. Il est d’ailleurs possible que l’usager change de NodeB vers un NodeB ne dépendant plus de son SRNC. Le RNC en charge de ces cellules distantes est appelé « controlling RNC ». Le RNC distant est appelé « drift RNC » du point de vue RRC. Le « drift RNC » a pour fonction de router les données échangées entre le SRNC et l’équipement usager.

Représentation graphique de l’exemple de communication

Figure 9 – Représentation graphique de l’exemple de communication

Réseau coeur

Le réseau cœur de l’UMTS est composé de trois parties dont deux domaines :

Ces deux domaines permettent aux équipements usagers de pouvoir gérer simultanément une communication paquets et circuits. Ces domaines peuvent être considérés comme des domaines de service. Ce type d’architecture permet de pouvoir créer ultérieurement d’autres domaines de service.
Le schéma représente l’architecture du réseau cœur de l’UMTS :

Architecture du réseau coeur de l'UMTS

Figure 10 – Architecture du réseau cœur de l’UMTS

Eléments communs

Le groupe des éléments communs est composé de plusieurs modules :

Le domaine CS

Le domaine CS est composé de plusieurs modules :

Le domaine PS

Le domaine PS est composé de plusieurs modules :

L'interface radio de l'utran

Architecture en couches

L’interface radio de l’UTRAN est structurée en couches dont les protocoles se basent sur les 3 premières souches du modèle OSI (respectivement la couche physique, la couche liaison de données et la couche réseau).

Vue en couches de l’interface radio UTRAN

Figure 11 - Vue en couches de l’interface radio UTRAN

Couche 1 :
Cette couche PHY représente la couche physique de l’interface radio qui réalise les fonctions de codage, décodage, modulation et d’entrelacement via W-CDMA.
Couche 2 :
Cette couche est divisée en plusieurs sous couches :


Couche 3 :
Cette couche RRC (Radio Resource Control) gère la connexion de signalisation établie entre le réseau d’accès UTRAN et l’équipement usager, utilisée lors de l’établissement ou de la libération de la communication.

Transport des données

Suivant le type de données à transporter, la gestion du transport des données est différente.
Commençons par détailler les trames relatives à la voix. La couche PDCP n’est pas utilisée dans ce type de transport. Les couches MAC et RLC sont employées en mode transparent, c'est-à-dire qu’il n’y a pas de segmentation, ni de multiplexage.
En revanche, le transport d’un paquet IP, le mécanisme est différent. Ce type de paquet N-PDU (Network PDU) provient du réseau cœur de l’UMTS à destination du réseau d’accès UTRAN. Tout d’abord, l’en-tête de la N-PDU est compressé par la couche PDCP. La couche RLC segmente la PDU ainsi compressée. Un en-tête est alors rajouté à la RLC-PDU par la couche MAC lors du multiplexage.
Le schéma ci-dessous présente l’encapsulation des paquets qui arrivent au réseau cœur de l’UMTS :

Encapsulation des parquets TCP/IP à l’arrivée au réseau coeur

Figure 12 – Encapsulation des paquets TCP/IP à l’arrivée au réseau cœur

Les principes du W-CDMA

L'interface radio de l'UMTS se base sur le W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access). Cependant, le W-CDMA se base sur une technique plus ancienne qui est le CDMA (Code Division Multiple Access). Afin de comprendre les concepts du W-CDMA, il est important de comprendre la technique du CDMA.

CDMA

Le CDMA (Code Division Multiple Access) est utilisé dans de nombreux systèmes de communication. Il permet d’avoir plusieurs utilisateurs sur une même onde porteuse. Les transmissions sont numérisées, dites à étalement de spectre. L’étalement du spectre rend le signal moins sensible aux fluctuations sélectives en fréquence. Le signal est ainsi transmis sur une bande de fréquences beaucoup plus large que la bande de fréquences nécessaire.


Les avantages :

Principe de l’étalement de spectre :
Le W-CDMA réalise un étalement de spectre selon la méthode de répartition par séquence directe (Direct Sequence).
Pour cela, chaque bit de l’utilisateur à transmettre est multiplié (OU exclusif) par un code pseudo aléatoire PN (Pseudo random Noise code) propre à cet utilisateur. La séquence du code (constituée de N éléments appelés "chips") est unique pour cet utilisateur, et constitue la clé de codage. Cette dernière est conservée si le symbole de donnée est égal à 1, sinon elle est inversée. La longueur L du code est appelée facteur d’étalement SF (Spreading Factor).
Si chacun des symboles a une durée Tb, on a 1 chip toutes les Tb/N secondes. Le nouveau signal modulé a un débit N fois plus grand que le signal initialement envoyé par l'usager et utilisera donc une bande de fréquences N fois plus étendue.
Nous avons donc une relation entre le débit initial et le débit final du type :

Remarque : La relation ci-dessus nous permet de dire que plus le facteur d’étalement SF est élevé, plus le Débit Chip sera élevé. Cela implique que le débit de données du canal sera élevé. Les canaux à débits variables peuvent être libérés en fonction des besoins de l’utilisateur.

Principe de l’étalement de spectre

Figure 13 – Principe de l’étalement de spectre

Afin de pouvoir lire le message codé envoyé, le récepteur doit réaliser la même opération. En effet, ce dernier génère la même séquence d’étalement qu’il multiplie au signal reçu afin d’obtenir les données. Les données des autres utilisateurs (pas de multiplication avec la séquence d’étalement) restent étalées.


Codes d’étalement :
Chaque utilisateur possède un code, il est donc nécessaire de n’avoir aucune interférence entre ceux-ci. Pour cela, nous utilisons des codes orthogonaux dits codes OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor Code) afin de modifier le facteur d’étalement et de conserver l’orthogonalité des différents codes d’étalement.
Ces codes sont définis par un arbre OVSF où chaque nœud possède 2 fils. Les codes des 2 fils sont issus du code de leur père commun, c'est-à-dire que leur code est composé par le code du père et de son complémentaire. L’arbre des codes OVSF ainsi créé peut être représenté sous la forme de la matrice de Hadamard.

Arbre des codes OVSF

Figure 14 – Arbre des codes OVSF

L’arbre ci-dessus, nous montre la relation entre le facteur d’étalement et le nombre de codes disponibles pour un étalement donné. Il est important de savoir que le facteur d’étalement SF détermine la longueur du code.
Le nombre de bits dans les trames des canaux dédiés pour le transfert des données se trouve par l’intermédiaire de la relation suivante :

Comme k est compris entre 0 et 6, les valeurs du facteur d’étalement SF peut être égal à 7 valeurs.

k 0 1 2 3 4 5 6
SF 256 128 64 32 16 8 4

Dans un tel arbre, il n’est possible d’utiliser tous les codes OVSF simultanément. Comme nous l’avons vu, le code de chaque nœud est déterminé en fonction du code du nœud père. Cela implique donc que pour une branche, les codes ont une relation entre eux, ce qui empêche l’utilisation d’autres codes lorsque l’un d’entre eux est utilisé.

Utilisation des codes OSVF

Figure 15 – Utilisation des codes OSVF

La figure ci-dessus nous indique que le code est utilisé, ce qui empêche tous les autres codes de la même branche d’être utilisés. Cette règle impose une contrainte forte sur les disponibilités des canaux pour le haut-débit, ce qui implique que le nombre d’utilisateurs simultanés en téléchargement de données est limité.

Contraintes

Il existe certaines contraintes quant à l’utilisation de cette technologie.

L'effet near-far

On parle d’effet near-far lorsqu’un appareil mobile émet à une puissance trop élevée qui empêche tous les autres appareils mobiles du voisinage. L’appareil mobile à forte puissance éblouit son entourage.
Prenons par exemple un appareil mobile émetteur se trouvant au pied de la station de bases et d’autres appareils mobiles en périphérie dont leur puissance qui arrive au pied de la station de base est affaiblie par la distance. Ces dernières seront masquées par le signal de l’émetteur puissant.
Pour remédier à ce problème, il est possible de mettre en place un système de contrôle de puissance. Le système de contrôle rapide en boucle fermée (Closed-loop Power Control) a été retenue pour le W-CDMA. Ce système permet à la station de base de réaliser des estimations régulières (1500 fois par seconde pour chaque mobile) du rapport signal à interférence (Signal to Interference Radio) en les comparant avec la valeur du rapport signal à interférence du destinataire. Si l’estimation de cette valeur est supérieure à la valeur du destinataire, la station de base demande à l’appareil mobile concerné de réduire sa puissance d’émission ou de l’augmenter.
Le contrôle de puissance permet à la station de base de recevoir les signaux de même puissance. Ce mécanisme permet de prendre en compte tout type de variation d’affaiblissement.
Le schéma ci-dessous illustre ce phénomène de near-far. En effet, nous avons 3 équipements mobiles qui sont connectés à la même station de base. Cependant, du fait de leur distance à celle-ci, leur puissance est différente à l’arrivée du signal à la station de base.

Effet Near-Far

Figure 16 – Effet Near-Far

Les deux schémas ci-dessous présentent les puissances reçues par la station de base sans et avec contrôle de puissance :

Sans contrôle de puissance

Comparaison des puissances sans contrôle de puissance

Figure 17 – Comparaison des puissances sans contrôle de puissance

Avec contrôle de puissance

Comparaison des puissances avec contrôle de puissance

Figure 18 – Comparaison des puissances avec contrôle de puissance

Les handovers

Les appareils mobiles permettent de communiquer en mouvement. Cela implique qu’il arrive que ceux-ci se retrouvent dans une zone de chevauchement de deux cellules. Il ne faut en aucun cas couper une communication. Il existe plusieurs sortes de handovers :

Exemple de soft handover

Figure 19 – Exemple de soft handover

Exemple de hard handover

Figure 20 – Exemple de hard handover

Le fast-fading

On appelle Fast-Fading l’annulation de deux ondes déphasées d’une demi-longueur et ayant emprunté plusieurs parcours.
Prenons comme exemples deux ondes ayant une différence de longueur égale à une demi-longueur d’onde ; elles arrivent pratiquement au même moment au récepteur. Leur déphasage d’une demi-longueur fait qu’elles s’annulent à cet instant. Cela est du aux différents parcours empruntés par les ondes. L’autre facteur d’une telle annulation est le fait que le récepteur soit immobile ou se déplace à faible vitesse.
Cependant, il est possible de remédier à ce problème par l’intermédiaire de protocoles de codage, d’entrelacement et de retransmission qui ajoutent de la redondance et de la diversité temporelle au signal. Ainsi, malgré les atténuations des signaux, le récepteur sera apte à récupérer les données envoyées. De plus, il est possible de recombiner l’énergie du signal en utilisant de multiples récepteurs à corrélation. Ces derniers corrigent tous les changements de phase ou d’amplitude.

Les trajets multiples

La transmission des signaux dans un canal est caractérisée par de multiples réflexions, diffractions et atténuations du signal. Ces phénomènes sont provoqués par les obstacles rencontrés par les signaux. C’est pour cette raison que ces derniers empruntent des trajets multiples afin d’atteindre leur cible. Il en résulte que le signal réalise des temps de trajet variables en fonction du chemin emprunté ; il en est de même pour la puissance du signal qui peut varier. Le récepteur peut recevoir plusieurs fois le même signal décalé. Ce temps de décalage peut varier de 2 µs en ville à 20 µs dans des zones vallonnées. Il est donc impératif que le récepteur sache identifier et séparer les différentes composantes dans le but de reconstituer les données.

W-CDMA

Le W-CDMA se base sur le CDMA mais utilise une bande passante plus large ce qui implique des débits supérieurs.

Multiplexage

Le W-CDMA propose deux types de multiplexage : le FDD (Frequency Division Duplex) et le TDD (Time Division Duplex).

Le multiplexage de type FDD utilise une bande passante de 5 Mhz pour le débit descendant, et une bande passante de 5 Mhz pour le débit montant. Le débit maximal supporté par un seul code est de 384 kbit/s. Afin de pouvoir supporter un débit de 2 Mbit/s, plusieurs codes sont nécessaires.
Le multiplexage de type TDD n'utilise qu'une seule bande passante de 5 Mhz divisée en portions de temps (time slot) utilisables aussi bien pour le débit montant que pour le débit descendant. Elle comprend donc une composante TDMA (Time Division Multiple Access) en plus de la séparation par code. Cela permet d’obtenir une large gamme de débits de services en allouant plusieurs codes ou plusieurs intervalles de temps à un utilisateur.

Scrambling

Le scrambling, réalisé par l’émetteur, permet de séparer les différents signaux d’une même station de base ou d’un même terminal sans modifier ni le débit, ni la bande passante. Cela permet d’étaler un signal par plusieurs émetteurs avec le même code d’étalement sans compromettre la détection des signaux par le récepteur. Il existe un arbre de codes d’étalement pour chaque code de scrambling, ce qui permet aux émetteurs d’utiliser leurs arbres de codes indépendamment.

Le mécanisme de scrambling

Figure 21 – Le mécanisme de scrambling

Relations entre le code d’étalement et le code de scrambling :

Fonctionnalités Code d’étalement Code de scrambling
Famille de codes OVSF Gold
Utilisation Débit montant : Séparation des canaux de données d'un même terminal.
Débit descendant : Séparation des connexions des différents utilisateurs d'une même cellule.
Débit montant : Séparation des terminaux.
Débit descendant : Séparation des cellules.
Comparaison du W-CDMA avec la 2G

Le W-CDMA est doté de nombreux avantages par rapport aux technologies utilisées dans la seconde génération (2G) de télécommunications mobiles.
La sécurité est nettement améliorée. En effet, le signal, perçu comme un bruit, est codé par une séquence connue uniquement par l’émetteur et le récepteur.
La sensibilité aux interférences extérieures est réduite puisque les brouilleurs sont réduits lors du desétalement.
Plusieurs émetteurs peuvent partager la bande passante. Cela permet d’obtenir des débits supérieurs, en plus d’être variables. De plus, ce partage évite le multiplexage existant en 2G.

La qualité de service

L’UMTS propose 4 classes de qualité de services selon les applications :