U M T S

1. U M T S Frédéric D ’Hont

2. S O M M A I R E • Présentation du Contexte • L ’interface Radio • Méthodes d ’accès • CDMA • Les canaux / Notions de QOS / La couche physique • Procédures de gestion de ressources radio • Architecture en couches • L ’architecture UMTS • Conclusion

3. PRESENTATION DU CONTEXTE

4. U M T S • Les Différentes générations en Europe • 1 G : FDMA • 2 G : TDMA EVOLUTION • Commutation de circuit : GSM (9.6 Kbits/s) HSCSD (57.6 kbits/s) • Commutation de paquet : GPRS (160 kbits/s) • Commutation de circuit + paquet : EDGE (384 kbits/s) UMTS (2Mbits/s)

5. H S C S D HIGH SPEED CIRCUIT SWITCHED DATA PRINCIPE :MOINS DE PROTECTION CONTRE LES ERREURS AVANTAGE : UTILISATION DE L ’INFRASTRUCTURE GSM EXISTANTE INCONVENIENT : COMMUTATION DE CIRCUIT UTILISE POUR LA TRANSMISSION DE DONNEES • GACHIS DE RESSOURCE

6. E D G E ENHANCED DATA RATE FOR GSM EVOLUTION PRINCIPE :MODULATION DIFFERENTE DU GSM / GPRS (8 psk) 3 Bits TRANSMIS A CHAQUE MOUVEMENT D ’HORLOGE • MULTIPLICATION PAR 3 DU DEBIT AVANTAGE : MODE CIRCUIT + PAQUET UTILISE INCONVENIENT : NECESSITE UN CHANGEMENT D ’EQUIPEMENT

7. SITUATION DES RADIO MOBILES AU NIVEAU MONDIAL Chiffres 2001: GSM 564 Millions de clients CDMA 100 Millions de clients IS - 95 (continent américain et Asie) TDMA IS - 136 (Digital-AMPS) 81 millions de clients (Etats-Unis) TDMA PDC (Personal Digital Cellular) /PHS (Personal Handyphone System) 55 millions de clients , Japon

8. ETAT DES LIEUX MONDIAL • En 2001 : 600 millions de clients technologies sans fil 2 G (30 millions en France) • Accélération de la croissance de la radio téléphonie • 2005 : 1 milliard de clients • Marché en développement : Asie • Ralentissement de la croissance en Europe et Amérique du Nord

9. INCOMPATIBILITE DES SYSTEMES EXISTANTS • Modulations différentes • Méthodes d ’accès différentes • Bandes de fréquence différentes • GSM 900/1800 (MHz) • IS 95 800/1900 • IS 136 800/1900 • PDC 800/1400 • Gestion du client différent • Carte SIM (GSM) • Infos clients dans le mobile (Amérique du Nord)

10. QU ’EST CE QUE L ’U M T S • Universal Mobile Télécommunication System • Système de 3ème génération • Couverture globale • Roaming global • Débits importants • Support d ’application multimédia • Terrestre / Satellite (Mss) : Mobile Satellite Service

11. LES PRINCIPES DE L ’UMTS • Normalisation internationale • Différents standards prévus dans l ’UMTS (compromis) • Bandes de fréquences communes • Support pour données haut débit • 2 Mbit/s en environnement fixe • 384 kbit/s (mobilité réduite) • 144 kbit/s (mobilité forte) • Héritage du GSM (principe du réseau existant) • Un système construit par les constructeurs (# GSM) • Compatibilité avec systèmes de deuxième génération

12. UNE NORMALISATION INTERNATIONALE • Concept d ’IMT 2000 Objectif : Fédérer les propositions des différents organismes de normalisation • Principaux organismes : • Un organisme fédérateur : ITU (International Télécommunication Union) • Europe : ETSI (European Telecommunication Standard Institute) • Japon : ARIB (Association of Radio Industries and Businesses • Etats Unis : T1 /TIA • Corée : TTA (Telecommunication Technology Association)

13. LES DATES « CLE » • Réservation par l ’ITU à l ’IMT 2000 de 2 (+ 2 MSS) bandes de fréquences (230 MHz + 150 MHz MSS) • 199816 propositions reçues pour l ’interface air • Technologie CDMA majoritaire • 1999 2 familles de technologie retenues en CDMA • Création de 2 regroupements de constructeurs et opérateurs

14. LES DATES « CLE » • 3 GPP (3d Generation Partnership Project) • Héritage d ’un certain nombre de concept du GSM • UMTS • Rapprochement ETSI/ARIB/T1 • 3 GPP2 • Créé afin de garantir une pérennité des systèmes IS 95 • CDMA 2000 • Etats Unis/Corée/Japon/Chine

15. 1999Premières spécifications techniques 2000 Début des attributions des licences UMTS en Europe (Espagne) Recommandations UMTS release 99 publiées (UMTS phase 1) Réservation de 3 bandes de fréquences complémentaires (160 MHz) - (900, 1800, 2600 MHz) 2001 UMTS release 4 2002 UMTS Release 5 2004Ouverture commerciale 1er réseau UMTS en France LES DATES « CLE »

16. BANDES DE FREQUENCE • Bandes prévues par l ’ITU • 1885 - 2025 MHz • 2110-2200 MHz • Quelles sont les bandes disponibles ? • Europe 1900 - 2025 MHz (couplé au DECT partie basse 1880-1900) 2110 - 2200 MHz • Japon 1920 - 2025 MHz (couplé au PHS partie basse 1893-1919) 2110 - 2200 MHz • Etats Unis ????? En Europe hors satellite : bande [ 1900, 1980] U [2010,2025] U [2110, 2170] MHz Largeur de porteuse de 5 MHz

17. UN SYSTEME ETABLI PAR DES CONSTRUCTEURS • Différent du GSM • Principaux acteurs : • Constructeurs : • ERICSSON • NOKIA • NORTEL • SIEMENS sur TDD • Opérateurs : • VODAFONE • NTT Do Co Mo

18. QUELS SERVICES ? • Téléphonie • Services d ’information • Accès intra/extranet mobile • Messagerie multimédia • Services de localisation • Accès internet mobile

19. Services Point à point • Symétriques : • Téléphonie • Conférence téléphonique • Vidéo conférence • Asymétriques : • Email • Télécopie • Accès données (journal, vidéo, shopping,…) • Service médical à distance (imagerie) • Accès internet

20. Services Multipoint • Radio mobile • TV mobile • Services de distribution d’information (métro, trafic, sport,….) ou de musiques • Paging

21. SEPARATION RESEAU D ’ACCES ET RESEAU COEUR Flexibilité du réseau accès (# GSM) Découpage en 2 strates OBJECTIF Séparation de niveaux de services indépendants • Modélisation en strates AS (Access Stratum) et NAS (Non Access Stratum)

22. ACCESS STRATUM Fonctions liées au réseau d’accès (UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network) • Gestion des ressources radio • Handover • Chiffrement • Compression • NON ACCESS STRATUM Autres fonctions indépendantes du réseau d’accès • Etablissement d’appel • Signalisation d’appel • Authentification • Gestion des services supplémentaires • Facturation

23. SEPARATION RESEAU ACCES ET RESEAU COEUR  Interface générique et normalisée • Interface IU • Objectif : Etre capable de connecter des réseaux d ’accès de technologies différentes : • UTRAN (UMTS) • BRAN Broadband Radio Access Network(WLAN - Wireless Local Area) • SRAN - Satellite • Gestion de qualité de service au niveau IU RESEAU COEUR IU IU IU SRAN BRAN Réseaux d ’accès UTRAN

24. L ’INTERFACE RADIO

25. L ’INTERFACE RADIO Les méthodes d ’accès 2 techniques proposées : TDD (Time Division Duplex) FDD (Frequency Division Duplex) TDD : Une seule et unique fréquence utilisée alternativement par les deux voies de communication FDD : Une fréquence utilisée pour chaque sens de communication (comme en Gsm…)

26. DIFFERENCES FDD/TDD FDD : Adapté aux applications à débit symétrique (même largeur de bande pour UL et DL) Technique non optimale pour débit asymétrique Technique plus mature TDD : Technique plus flexible quand spectre limité Gestion des interférences plus complexe Bandes de fréquence allouées : TDD [1900-1920] U [2010, 2025] 7 canaux FDD UL [1920, 1980] 2 x 60 MHz (2 x 12 canaux) FDD DL [2110, 2170]

27. LA TECHNOLOGIE CDMA • Historique • Fin années 50 : Début utilisation de cette technique par les militaires • Résistance aux brouillages • Confidentialité • Début années 90 Proposée pour réseaux cellulaires • Avantages visés : • Augmentation de l ’efficacité spectrale • Technique plus adaptée aux débits variables • Premier réseau : IS-95 (USA, CDMA ONE) • Principe Les usagers utilisent tous la même bande de fréquence et sont différenciés par leur code respectif

28. PRINCIPE DE L ’ETALEMENT DE SPECTRE Etalement de la puissance du signal d ’information sur une bande de fréquence plus large Signal usager X X Filtre/récepteur (Transmission) Séquence d ’étalement Séquence récupérée Séquence d ’étalement

29. SPREADING FACTOR (gain de traitement ou gain d ’étalement) SF : B étalement / B information où B étalement : Bande du signal résultant du processus d ’étalement B information : Bande occupée par le signal d ’information Indicateur direct de qualité = BER = SF x SIR (Signal to Interference Ratio)

30. CHIP RATE Chip = Elément de code Chip rate = débit de la séquence de code utilisée En IS 95 Chip rate = 1,2288 Mcps En UMTS Chip rate fixe : 3,84 Mcps (étalement plus important) Notion de Wideband CDMA (WCDMA) Pour CDMA 2000 Plusieurs chip rates utilisables (multiples du chip rate IS 95 : N x 1,2288 Mcps N = {1 ; 3 ; 6 ; 9; 12})

31. LES CODES UTILISES • 2 types de codes utilisés : • Codes OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor) • (Channelization codes ou codes de canal) • Différents gains de traitement possibles en fonction du débit usager • Codes de brouillage (séquences pseudo aléatoires) • (Scrambling code) • Réalisation de l ’étalement à proprement dit

32. LES CHANNELIZATION CODES • Codes orthogonaux • Codes utilisés pour le système IS-95 (CDMA One) • Codes propres à chaque canal physique • Codes de longueur différente (différents gains de traitement)

33. LES CHANNELIZATION CODES • Codes OVSF utilisés basés sur codes de Walsh Hadamard (longueur 256) • Note : Codes de longueur 64 utilisés sur IS 95 • Représentation des codes OVSF sous forme d ’arbres C4,1 = (1,1,1,1) C4,2 = (1,1,-1,-1) C 2,1 = (1,1) C 1,1 = (1) C4,3 = (1,-1,1,-1) C2,2 = (1,-1) C4,4 = (1,-1, -1, 1) SF = 1 SF = 2 …. SF = 4

34. LES CHANNELIZATION CODES • 2 séquences situées au même niveau hiérarchique de l ’arbre sont orthogonales. • Plus SF est élevé, plus la capacité est importante • Orthogonalité non garantie si décalage dans le temps d ’un code (mauvaise propriété d ’intercorrélation => Scrambling code)

35. LES SCRAMBLING CODES • Codes pseudo aléatoires (PN Pseudo Noise) • Deuxième niveau de codage pour palier aux mauvaises propriétés de corrélation des codes OVSF • Séquences de Séquence étalée • données • Générateur de registres à décalage (25) • 38400 codes retenus en UL (taille équivalente à la trame radio de 10 ms) • Codes identifiant la station de base (DL) ou le mobile (UL) X X OVSF Codes de brouillage

36. AFFECTATION DE CODES • Voie descendante (synchronisation) • Utilisation de la totalité de l ’arbre OVSF dans chaque cellule • (codes orthogonaux entre eux) • Utilisation d ’un code de brouillage propre à chaque cellule • (distinction des cellules) • Voie montante (pas de synchronisation) • Allocation à chaque mobile d ’un code de brouillage et de la • totalité de l ’arbre OVSF

37. OPTIMISATION DE L ’UTILISATION DES CODES • Codes OVSF • 2 codes OVSF situés sur une même branche ne sont pas forcément orthogonaux • Risque de pénurie de codes OVSF (512 max) sens DL Optimisation / Achat de codes Utilisation possible d ’un deuxième code de brouillage dans une cellule • Codes de brouillage • En DL, synchronisation véhiculée par 64 codes de brouillage (codes de synchro secondaire) • Réutilisation des codes

38. PLANIFICATION CODES CDMA • Planification plus simple en CDMA (bande de 5 MHz quasi unique) • Planification de codes de brouillage (afin d ’éviter des interférences inter cellulaires) • En UMTS, une station de base est reconnue • par son code de brouillage

39. LIMITE DE CAPACITE EN CDMA • Utilisation de la même bande de fréquence par tous les usagers (codes différents) En pratique, orthogonalité non respectée • Interférences UL • Plus le trafic augmente, plus le niveau de signal augmente, plus le bruit ambiant augmente • Le respect d ’un niveau de signal à bruit • Cible passe un contrôle de puissance précis et rapide • Un contrôle de puissance défectueux va dégrader • la capacité du réseau

40. LES CANAUX 3 types de canaux : logiques (informations à transmettre), transport (canaux logiques mis en forme),physiques (canaux réellement transmis sur l ’interface radio) Cœur de Réseau Mobile Station de Base Canaux logique Canaux de transport Canaux physiques

41. LES CANAUX LOGIQUES • Liés à l ’utilisation faite et non au canal de transmission • Canaux de contrôle • BCCH (diffusion informations de contrôle) • PCCH (envoi de paging) • CCCH (signalisation pour mobiles non connectés au réseau) • DCCH (signalisation pour mobiles connectés au réseau) • Canaux de trafic • DTCH (échange de données usager avec un mobile connecté au • réseau) • CTCH (envoi de données usager réseau vers groupes de mobiles)

42. LES CANAUX DE TRANSPORT • Mécanismes destinés à fiabiliser les échanges de données sur l ’interface radio • Gestion de la qualité de service • Canaux dédiés et communs

43. NOTION DE QOS • RAB (Radio Access Bearer) • TFS (Transport Format Set) Le Non Access Stratum charge l ’Access Stratum d ’établir le chemin de communication dans le réseau d ’accès

44. NOTION DE QOS • Définition du RAB: Définition d’attributs de qualité de service négociés entre usager et réseau cœur sur l ’interface radio et Iu Notions importantes: • Délai de transfert de l ’info • Variation du délai de transfert • Tolérance aux erreurs de transmission

45. NOTION DE QOS • Classes de service: • Conversationnel (phonie, visiophonie, jeux) • Streaming (écoute de pgmes audio/vidéo, transfert FTP) • Interactif (messagerie vocale, navigation WEB, e-commerce) • Background (fax, email) • Débit max / débit garanti • Taille des informations • Taux d ’erreur • Délai de transfert • Priorité

46. NOTION DE QOS • ACTIONS DE L ’UTRAN • Choix du codage canal • Dimensionnement des ressources radio et configuration des protocoles radio (laissé libre au constructeur)

47. NOTION DE QOS INTERFACE RADIO ET TFS A chaque canal de transport, l ’UTRAN associe une liste d ’attributs (TFS) destinée à représenter la manière dont les données sont transmises sur l ’interface radio Définition notamment de : • Transport Block Size (taille des données transmises sur l ’interface radio) • TTI (entrelacement) • Type de codage canal (sans, code convolutif ou turbocode) • Taille du CRC • Rendement du codage canal (1/3, 1/2)

48. LES CANAUX PHYSIQUES • Canaux entre mobile et station de base (# transport ou logiques) • Canal défini par : • La fréquence porteuse • Les codes de brouillage • Les codes de canalisation • Durée d ’une trame = 10 ms • = 15 TS

49. LA COUCHE PHYSIQUE UMTS • Les principales étapes : • Codage source (transcodage) • Le contrôle d ’erreurs (ajout du CRC) • Choix du codage canal en fonction des attributs de qualité de service requis • CRC (5 niveaux) • Turbocodes (codes convolutifs en parallèle) • Le codeur de parole AMR (Adaptative Multi Rate) définit le meilleur couple codage canal/source • 8 modes sont possibles avec trois classes d ’importance

50. Adaptation de débit • Adaptation de la taille des blocs au dimensionnement des canaux physiques de l ’interface radio • Rôle du SF (code le plus proche du débit demandé) • Poinçonnage (taille blocs codage > taille bloc physique) ou répétition de bits (taille blocs codage < taille bloc physique)