Grow with us
UMTS
Universal Mobile
Telecommunications System
Par :
Lassaad ELAABIDI
Cynapsys Software Engineering,
Mars 2010
Plan
1. Introduction à l’UMTS
2. Architecture de l’UMTS
3. L’UTRAN: la grande innovation de l’UMTS
3.1. Architecture
3.2. Fonctionnalités
3.3. Gestion de mobilité
3.4. Innovations
3.5. Bandes de fréquences
4. Standards GSM/GPRS/EDGE/UMTS
5. Conclusions
2
Introduction à l’UMTS (1/3)
Définition
L’UMTS est l’acronyme d'Universal Mobile Telecommunications System
Système Universel de Télécommunications Mobiles
- Les systèmes 1G et 2G étaient considérés comme des systèmes de téléphonie mobile
- Système 3G: passage de la téléphonie à la télécommunication
- Apparition de services multimédia à tout instant et en tout lieu:
Offrir une large gamme de services, intégrant la voix, les données et les images
Historique
Fut initié par l’Europe à la fin des années 1980  maintenant poursuivi à l’échelle mondiale
- Depuis 1998: une norme universelle des travaux de standardisation qui s’effectuent au
sein du 3GPP (Third Generation Partnership Project)
- Groupe rassemblant les organismes de standardisation Européen, Japonais, Américain,
Sud-coréen et depuis 1999 Chinois.
3
Introduction à l’UMTS (2/3)
- 2001: Testé pour la première fois en Europe
- 2002: Testé à l’île de Man (un territoire Britannique) et à Monaco (petites îles et îlots
Français de l’océan Indien)
- Octobre 2001 au Japon: a eu lieu le déploiement commercial du système FOMA
(Freedom of Mobile Multimedia Access: 3ième génération au Japon) fondé pour l’essentiel
sur les spécifications techniques de l’UMTS
- Mars 2003: eurent lieu les premiers déploiements commerciaux de l’UMTS en Europe
(Grande-Bretagne et Italie)
4
Introduction à l’UMTS (3/3)
Objectif
 Assurer la continuité avec les services actuels de téléphonie mobile, mais aussi de
supporter de nouveaux services de transmission de données en paquet ,à haut débit ,avec
différentes qualités de service (QoS) pour des systèmes mobiles d’accès à l’Internet
 Créer un système cellulaire de 3G utilisant la technologie CDMA large bande (W-CDMA)
et permettant l’interopérabilité avec le GSM et ses évolutions (HSCSD, GPRS et EDGE)
HSCSD: High Speed Circuit Switched Data: Spécification finalisée en 1999: par Nokia
- Technologie permettant à un utilisateur d'utiliser plusieurs slots d'affilée contrairement
au TDMA (temps divisé en slots (période donnée): possibilité d’allouer plus d’un time
slot à un abonné dans la limite des 8 slots disponibles:
115.2 kbps (8 x 14.4 kbps théorie) (38.4 kbps en pratique)
- En GSM, un mobile dispose d'un slot pour respectivement émettre ou recevoir, puis doit
attendre 7 slots avant de pouvoir émettre ou recevoir des données
5
Architecture de l’UMTS (1/14)
Le système UMTS est modélisé à partir de deux points de vue: physique et fonctionnel
Architecture physique
Architecture Physique
Domaine de
l'équipement usager (UE)
Equipement mobile (ME)
6
Module d'identité des
services
de l’usager (USIM)
Domaine de
l'infrastructure
Domaine du réseau
d'accès (UTRAN)
Domaine du réseau
cœur (CN)
Architecture de l’UMTS (2/14)
UMTS Core Network
7
Architecture de l’UMTS (3/14)
MSC
CS)
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Architecture de l’UMTS (4/14)
UMTS Terrestrial Radio Access
Network: UTRAN
9
Architecture de l’UMTS (5/14)
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U
Architecture de l’UMTS (6/14)
Facturer certains services d’interconnexion en fonction de la capacité (CBC - Capacity
PLMN:Based
PublicCharging)
Land Mobile
Réseau
Mobile Public (RTMP)
plutôt Network:
qu’en fonction
de la Terrestre
durée des communications
PSDN: Public Switching Data Network: Réseau Téléphonique Commuté Public (RTCP)
Architecture physique
11
MGW: Media GateWay; unité de traduction entre les réseaux de télécommunications disparates
Architecture de l’UMTS (7/14)
Environnement 3G et terminaux multi-mode (UMTS Forum)
‘Global’ World Cell




Couverture:
10 – 1000 km
‘Mobile Satellite
System’ (MSS)
Mobilité très élevée
(≤ 1000 km/h)
≤ 144 kbps
12
‘Suburban’ Macro Cell




Couverture:
350 m – 20 km
Ville/campagne
Mobilité élevée
(120 – 500 km/h)
144 – 385 kbps
‘Urban’ Micro Cell




Couverture:
50 – 300m
‘Hot spots’ (stades,
gares, aéroports, etc.)
Mobilité moyenne
(10 – 120 km/h)
≤ 384 kbps
‘Indoor’ Pico Cell




Couverture:
quelques 10 m
Bureau/maison
Mobilité faible
(< 10 km/h)
≤ 2 Mbps
Architecture de l’UMTS (8/14)
Environnement 3G et terminaux multi-mode (UMTS Forum)
Pourquoi la composante satellitaire?
Les segments de marché potentiels « verticaux » sont:
• Mobiles embarqués: voiture haute gamme avec ordinateur de bord (communication,
navigation,…) et interface PC, souvent hors couverture,
• Véhicules commerciaux: légers et lourds souvent en roaming hors couverture,
• Industrie primaire: pétrole, gaz et mineraie … impliquant des sites reculés,
• Maritime: pêche, commerce, plaisance ayant besoin de service multimédia,
• Aéronautique: service multimédia aux passagers et à l’équipage,
• Média: journalistes souvent en déplacement,
• Santé: administration des premiers soins dans une ambulance (télémédecine),
• Support large bande de secour: lorsque le réseau fixe n’est pas disponible (pour multimédia)
13
Architecture de l’UMTS (9/14)
Le domaine de l’équipement usager (UE) comprend tous les équipements terminaux:
1. Equipement mobile (ME): les mobiles UMTS ne seront plus de simples téléphones,
mais des terminaux multimédia capables d’offrir simultanément des services de
transmissions de données, d’audio et de vidéo en tout lieu et en tout moment
- Les téléphones mobiles UMTS combinent:
 Avantages des communications mobiles et fonctions multimédia
- UMTS compatible avec d’autres équipements où intègre leurs fonctions:
 PDA (Personal Digital Assistant), Microsoft CE, Station mobile JAVA, Agenda électronique,
PC fixe/portable, …
- Mobiles UMTS multi-mode pour profiter de la couverture d’autres systèmes existants:
 GSM, DECT (Digital Enhanced Cordless Telephone:norme de téléphonie sans fil numérique),
D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System),...
2. Universal Subscriber Identity Module (USIM): Il s’agit d’une carte à puce, version
améliorée de la SIM (cas GSM), dédiée à la téléphonie 3G.
14
Architecture de l’UMTS (10/14)
Téléphonie, Données, Vidéo/TV délivrées par les réseaux 3G
15
Evolution
technologique
et diversité des appareils
Mobiles
triple fonctionnalités
Palette des applications mobiles en croissance
Architecture de l’UMTS (11/14)
Le domaine de l’infrastructure comprend:
1. Le domaine réseau d’accès (UTRAN) propose les fonctions permettant d’acheminer les
informations (trafic de données et trafic de signalisation) depuis l’utilisateur jusqu’au réseau
cœur
- Fournir à l’équipement usager les ressources radio et les mécanismes nécessaires pour
accéder au cœur du réseau (CN)
2. Le domaine du réseau cœur (CN: Core Network) regroupe les fonctions permettant:
- La gestion des appels
- L’itinérance (roaming): c’est le passage du réseau d’un opérateur à un autre: décrit la
faculté de pouvoir appeler ou être appelé quelle que soit sa position géographique
- La sécurité
- La communication avec les réseaux externes (Internet, RTCP, RTMP,…)
16
Architecture de l’UMTS (12/14)
2. Le domaine du réseau cœur (CN: Core Network)
 Il permet à l’usager de communiquer à l’intérieur d’un même réseau de téléphonie
mobile et assure l’interconnexion de ce dernier avec des réseaux internes ou externes, fixes
ou mobiles, numériques ou analogiques
Ce réseau cœur est une évolution de ce qui existant déjà pour le GPRS
17
Architecture de l’UMTS (13/14)
Interfaces dans UMTS
Interface
Liaison
Cu
ME – USIM
Iub
RNC – Nœud B
Iur
RNC A – RNC B
Uu
UE – UTRAN
Iu
UTRAN – CN
ME
: Mobile Equipment
USIM
: Universal Subscriber Identify Module
RNC
: Radio Network Controller
UE
: User Equipment
UTRAN : UMTS Terrestrial Radio Access Network
CN
18
: Core Network
Architecture de l’UMTS (14/14)
Architecture fonctionnelle
Se modélise par strates définissant la façon
dont les trois domaines communiquent
entre eux (UE, UTRAN,CN)
Strate d’Accès
Fonctions propres au transport de
l’information entre la partie terminale mobile (UE)
et le nœud du réseau cœur (CN)
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Strate de non Accès
Ensemble des protocoles permettant l’échange
d’information entre l’équipement usager (UE)
et le réseau cœur (CN) indépendamment
du réseau d’accès UTRAN
L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS
(1/12)
L’UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network
Réseau d’Accès Radio Terrestre Universel
Architecture de l’UTRAN
Le sous-système du réseau radio (RNS: Radio Network Sub-System):
Réseau d’Accès Radio: composé d’un ou plusieurs nœuds B (Stations de base) et du RNC
(Radio Network Controller)
Remarque: RNS: équivalent au BSS (sous système radio: BTS (eq. Nœud B)+BSC (eq.
RNC)) de celui du GSM
1. Le nœud B: communication radio entre les équipements usagers (UE) et l’UTRAN:
Gestion de la couche physique: entrelacement, égalisation, codage et décodage canal pour
la correction d’erreurs, de l’adaptation du débit et de la modulation QPSK, contrôle de
puissance,…
20
L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS
(2/12)
Architecture de l’UTRAN
2. Contrôleur du réseau radio (RNC: Radio Network Controller): regroupe les
fonctionnalités de niveau 2 et 3 du modèle OSI
- Contrôle de puissance
- Contrôle du Handover (changement du canal physique lorsqu’on se déplace:
passage d’une cellule à une autre)
- Contrôle de l’admission des mobiles au réseau et la gestion de la charge
- Allocation des codes CDMA
- Séquencement de la transmission de données en mode paquet
21
L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS
(3/12)
Architecture de l’UTRAN
2. Contrôleur du réseau radio (RNC: Radio Network Controller)
- Combinaison/distribution des signaux provenant ou allant vers différents nœuds B dans
une situation de macrodiversité (un UE peut communiquer simultanément avec plusieurs
nœuds B)
 La macrodiversité permet d’augmenter significativement la qualité lors des
communications et permet le soft-handover; lors du passage d’une cellule à une autre,
il n’y a plus aucune interruption de la communication, grâce au CDMA)
GSM
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1
6
2
4
7
3
5
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
UMTS
 Selon son rôle fonctionnel, le RNC est dénommé CRNC (Controlling), SRNC (Serving)
ou DRNC (Drift: déplacement progressif). En général un même équipement RNC peut
réaliser ces trois rôles.
22
L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS
(4/12)
Architecture de l’UTRAN
23
Node B
NOKIA
RNC
L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS
(5/12)
Fonctions de l’UTRAN
- Fonction principale: échange d’informations entre le terminal mobile et le réseau cœur
- Fonctions liées au contrôle et à la gestion des ressources radio: allocation et maintien
des ressources radio nécessaires à la communication
- Fonctions liées à l’accès au réseau: permettent de gérer l’admission, le contrôle
de la congestion du réseau et de la diffusion des informations système
24
L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS
(6/12)
Fonctions de l’UTRAN
- Fonctions liées à la sécurité: gèrent la confidentialité et la protection des informations
échangées par l’interface radio en appliquant les algorithmes de chiffrement et d’intégrité
- Fonctions liées à la mobilité: regroupent tout ce qui est Handover, relocalisation du SRNS,
estimation de la position géographique
- Synchronisation: l’UTRAN est en charge du maintien de la base de temps de référence
dans chaque cellule sur laquelle tout terminal mobile doit s’aligner pour transmettre et
recevoir des informations.
25
L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS
(7/12)
Gestion de la mobilité
Elle ne revient plus au réseau cœur (CN), mais au SRNC, qui est en charge de suivre
les déplacements de l’UE à la cellule près lorsque la connexion est établie entre l’UTRAN
et l’UE (User Equipment)
- Pour identifier les données émises par un UE et gérer sa mobilité, l’UTRAN utilise trois
identificateurs pour associer un UE à un SRNC, CRNC et DRNC unique et un
identificateur pour l’identifier de façon unique dans l’UTRAN.
26
L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS
(8/12)
Bandes de fréquences dans l’UTRAN
L’UTRAN utilise deux modes d’accès fondés sur la technologie CDMA large bande:
- L’UTRA/FDD (Universal Terrestrial Radio Access/Frequency Duplex Division)
- L’UTRA/TDD (Universal Terrestrial Radio Access/Time Duplex Division)
Mode d’accès
UTRA/FDD
UTRA/TDD
Technique d’accès
multiple
FDMA/CDMA
TDMA/CDMA
Mode de duplexage
FDD
TDD
Séparation entre
porteuses (kHz)
5000
5000
Spectres de fréquences
2110 – 2170 (VD)
1920 – 1980 (VM)
(MHz)
27
1900 – 1920 (VM et VD)
2010 – 2025 (VM et VD)
L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS
(9/12)
Les innovations
- Définition de 4 nouvelles interfaces (Uu, Iu, Iur, Iub): interfaces ouvertes
(compatibilité avec équipements de multiples constructeurs)
- Elles ont leurs équivalents en GSM [Uu=Um; Iu=A; Iub=Abis] sauf l’Iur qui permet à deux
RNC de communiquer entre eux; ce qui est nécessaire au CDMA
- Utilisation du CDMA (Code Division Multiple Access):
Technologie d’accès radio dont l’avantage est de faire appel à une procédure de
macrodiversité qui ne peut exister dans les systèmes de type TDMA (cas de GSM)
Utilisant une technique d’étalement de spectre permettant de diffuser un signal radio sur une
grande gamme de fréquence  fournir un débit bien supérieur à celui obtenu jusqu’à présent.
28
L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS
(10/12)
Les innovations
- L’ATM (Asynchronous Transfer Mode) fut choisi comme technologie de transport via
les interfaces Iu (UTRAN-CN), Iub (RNC-Node B), Iur (RNC A-RNC B) car elle est
particulièrement adaptée à l’intérieur du réseau dans lesquels le flot d’information varie
 Pour l’UMTS, cela est très utile au vue de la quantité de différents services offerts
(IntServ, DiffServ, MPLS (MultiProtocol Label Switching: mécanisme fournissant un service
unifié de transport de données en utilisant une technique de commutation de paquets),…)
- La gestion de la mobilité indépendamment du réseau cœur rend plus efficace la gestion
des ressources radio et minimise les échanges de signalisation entre le mobile et le réseau
cœur
 Introduction du concept d’URA (UTRAN Registration Area: zone géographique couverte
par un certain nombre de cellules qui n’est connu que de l’UTRAN).
29
L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS
(11/12)
Les innovations: ATM
- Lancé en 1994, l’ATM s’adapte aux besoins de la téléinformatique haut débit inter
entreprises ainsi qu’à la téléconsultation de base de données
- Mode de transfert: asynchrone, orienté connexion (toute transmission doit être
précédée d’une demande de connexion réussie)
- Base du transfert: cellules (53 octets: 5 d’en-tête + 48 de données)
- Débits: 155 (à l’interface usager/réseau) et 620 (entre les équipements du réseau) Mbps
Optimisation du temps d'insertion des cellules (de petites tailles fixes)
sur le support de transmission ainsi que leur délai de transmission
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L’UTRAN: Grande innovation de l’UMTS
(12/12)
Les innovations: ATM
- Temps de commutation très faible par rapport au temps de propagation du signal
- Utilisé principalement sur les liens d’interconnexion ou dans des applications multimédia
- Offre un ensemble complexe de mécanismes de gestion de trafic, basés sur des
paramètres de QoS (ensemble de caractéristiques de performance de service et
détermine le degré de satisfaction d’un utilisateur de service)
 Assurer la QoS et supporter la variété de services offerts par l’UMTS
31
Standards GSM/GPRS/EDGE/UMTS (1/3)
Débits GSM/GPRS/EDGE/UMTS
Standard
Génération
Rôle
Débit
Théorique
Réel
9.6 kbps
9.6 Kbps
GSM
2G
Permet le transfert de voix OU de
données numériques de faible volume
GPRS
2.5G
Permet le transfert de voix OU de
données numériques volume modéré
21.4 – 171,2 Kbps
48 kbps
EDGE
2.75G
Permet le transfert simultané de voix
ET de données numériques
43.2 – 384 kbps
171 kbps
Permet le transfert simultané de voix
ET de données numériques à Haut Débit
0.144 – 2 Mbps
384 kbps
UMTS
3G
Le débit est différent suivant le lieu d'utilisation et la vitesse de déplacement de l'utilisateur:
En zone rurale : 144 kbps pour une utilisation mobile (voiture, train, etc...)
En zone urbaine : 384 kbps pour une utilisation piétonne
Dans un bâtiment : 2 000 kbps depuis un point fixe
32
Standards GSM/GPRS/EDGE/UMTS (2/3)
Architecture du réseau GSM/GPRS/UMTS
UMTS
GPRS
GSM
BSS
NSS
L’UMTS vient se combiner aux réseaux déjà existants(GSM et GPRS) qui apportent des fonctionnalités
respectives de Voix et de Données; l’UMTS apporte ensuite les fonctionnalités Multimédia.
33
Standards GSM/GPRS/EDGE/UMTS (3/3)
Processus de migration 2G-3G: cas du GSM
 GSM vers GPRS (nouveau réseau cœur IP)
 GPRS vers EDGE (mise à jour du réseau cœur et celui d’accès pour atteindre 384 Kbps;
conservation des fréquences GSM)
 EDGE vers UMTS (nouvelles bandes de fréquences UMTS et amélioration du
réseau cœur et celui d'accès)
 GSM vers UMTS (changement radical, fondamental)
34
Conclusions (1/3)
Evolution vers l’UMTS
- Le système UMTS est une norme harmonisée au niveau mondial intégrant les
différentes normes de la téléphonie mobile
- Il se caractérise par des capacités et des débits plus importants permettant également
la mise en œuvre d'appareils multimédia
Le gros avantage du système UMTS réside dans le fait qu’il est
axé sur la technologie d’accès CDMA large bande, elle récupère le fonctionnement
en mode circuit (GSM) et la combine au mode paquets (GPRS)
Accroître de manière considérable et de réguler le débit de transmission
35
Conclusions (2/3)
Evolution vers l’UMTS
- L’UMTS est ainsi la suite logique de l’évolution des technologies mobiles que nous
connaissons
WAP: Wireless Application Protocol: protocole permettant d'accéder à Internet à partir d'un appareil
de transmission sans fil (téléphone portable ou
un assistant personnel)
36
Solutions pour faire évoluer le GSM
Conclusions (3/3)
Evolution vers l’UMTS
Million de mobiles
Total
Applications Multimédia
Téléphonie et données
avec faible débit
Décennie d’invasion de l’UMTS
Le déploiement de l’UMTS pose encore quelques difficultés, notamment les difficultés
d'obtention des autorisations d'accès au spectre et les prix exorbitants des licences UMTS,
car les états Européens veulent s’en servir pour renflouer leur caisse
37
Au-delà du 3G (1/3)
Générations 3.5 et 3.75
3.5G
HSDPA: High Speed Downlink Packet Access: protocole pour la téléphonie mobile parfois
appelé 3,5 G, 3G+, ou encore turbo 3G dans sa dénomination commerciale. Il offre des performances
dix fois supérieures à la 3G (UMTS R'99) dont il est une évolution logicielle
3.75G
HSUPA: High Speed Uplink Packet Access: protocole de téléphonie mobile de 3ième génération
dont les spécifications ont été publiées par le 3GPP dans la « release 6 » du standard UMTS
(Universal Mobile Telecommunications System)
- Variante de HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) sur la voie montante
- Présenté comme le successeur de HSDPA, porte le débit montant (Uplink) à 5,8 Mbit/s théorique, le flux
descendant (Downlink) étant de 14 Mbit/s comme en HSDPA
 Offrir la possibilité d'émettre facilement des contenus volumineux (photos, audio, vidéo)
vers d'autres mobiles mais également vers les plates-formes de partage sur Internet.
38
Au-delà du 3G (2/3)
Evolution vers LTE - SAE
 L’IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) a introduit une
norme globale pour le 3G
 L’après IMT-2000 (IMT-Advanced 4G) a arrêté un chemin d’évolution pour l’après
3G (Beyond 3G): 100 Mbps en forte mobilité et 1 Gbps en faible mobilité
 Le 3GPP et le 3GPP2 ont développé des systèmes avancés pour l’après 3G:
L ongT ermEvolution (LTE ) pour le3GPP U ltraM obileBroadband (UMB ) pour le3GPP2  Evolution vers le EPC (Evolved Packet Core): appelée SAE (System Architecture
Evolution)
 Le WiMAX, basé sur le IEEE 802.16, est également entrain d’évoluer vers le 4G à
travers le standard IEEE 802.16m (WiMAX II)
39
Au-delà du 3G
(3/3)
Evolution vers LTE - SAE
WiMAX: Worldwide Inter-operability for Microwave Access
L’objectif de l’évolution à long terme pour le WiMAX et le LTE est d’atteindre 100 Mbps
en forte mobilité et 1 Gbps en fixe-nomade, comme il a été décidé par l’IUT
(International Union of Telecommunications) pour les systèmes 4G NGMN (Next
Generation Mobile Networks), à travers l’utilisation adaptative du MIMO-AAS (Multiple
Input Multiple Output-Advanced Antenna Systems) et de relais Multi-saut (Multi-hopp
relaying)
40
Lassaad ELAABIDI
Ingénieur Informatique - Télécoms
Cynapsys Software Engineering - Tunisie
www.cynapsys.de
Tel: + 216 95 716 160
41
l.elaabidi@cynapsys.de / lassaad.laabidi@yahoo.com