téléphonie mobile de troisième génération - de gsm à hspda

Telephonie Mobile de troisieme generationDe GSM a HSPDA

Luc Deneire

Departement R. et T.Licence Professionelle

Janvier 2008

c©Deneire 1

Table des Matieres

Table des Matieres (1)

Cours 1

Table des MatieresPlanHistoriqueLe Reseau G.S.M

ArchitectureHierarchieLes mobilesL’infrastructure

Interface RadioCommutation et mobilite

Cours 2

GPRS : Gestion de mobiliteConceptsMachine d’etat de la mobiliteGPRS/IMSI AttachDetach demande par la MSDetach demande par le reseauSecurite

Gestion de la localisationTransfert de donnees / routage

EDGEIntroductionModulationsFormatsGain du au multi-slotRedondance incrementale (RI)

UMTS : ArchitectureReferenceConcepts de BaseArchitecture et structure de l’UMTSL’interface radio

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Table des Matieres

Telephonie Mobile de troisieme generationCours 1 : Introduction

G.S.M.

Luc Deneire

Departement R. & T.Licence Professionelle

Janvier 2008

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Table des Matieres

Table des MatieresPlanHistoriqueLe Reseau G.S.M

ArchitectureHierarchieLes mobilesL’infrastructureInterface RadioCommutation et mobilite

GPRSCahier des chargesArchitecture Reseaule reseau backboneLa pile de protocole (plan transmission)

GPRS : Gestion de mobiliteConceptsMachine d’etat de la mobiliteGPRS/IMSI AttachDetach demande par la MSDetach demande par le reseauSecuriteGestion de la localisationTransfert de donnees / routage

EDGEIntroductionModulationsFormatsGain du au multi-slotRedondance incrementale (RI)

UMTS : ArchitectureReferenceConcepts de BaseArchitecture et structure de l’UMTSL’interface radio

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Plan

Plan du coursDe G.S.M. a HSDPA

1. Introduction et G.S.M.

2. le G.P.R.S. et EDGE

3. U.M.T.S. principes et interface radio

4. U.M.T.S. couche physique et protocoles

5. U.M.T.S. gestion des appels et de la mobilite

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Plan

Organisation du coursCours magistral + 3 T.P.s

1. Cours I.U.T. + Professionel

2. Cours magistral .... trois heures

3. 3 T.Ps. : pour comprendre

4. Cours informatif ...

5. Examen (euh ... DS) ecrit individuel sans support :(

6. Reference :UMTS, les origines, l’architecture, la norme, Pierre Lescuyer,Dunod, Paris, 2002

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Historique

De Marconi a l’U.M.T.SLes Temps Heroıques

1896 Marconi demontre la premiere transmission sans fils ... voirun cafe a Biot

1946 Premier Telephone mobile aux U.S. (1 cellule, St Louis,Missourisource :http://www.att.com/attlabs/reputation/timeline/46mobile.html)

1973 New-York, Premier telephone cellulaire (Martin Cooper,Motorola, vers Joel Engel, Bell Labs)

1977 Bell Labs construit un proto de systeme cellulaire, Chicago,2000 clients

1981 Premier systeme Europeen, NTM-450, Suede

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Historique

La deuxieme generation

4 systemes1. G.S.M : Global System for Mobile -Europe + Monde2. D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System)-US3. Code Division Multiple Access (IS-95) ... US-Qualcomm4. P.D.C. Personal Digital Cellular - Japon

GSM Dominant Europe, Monde sauf USA

Bandes 900 MHz, 1800 MHz (DCS-1800) , 1900 MHz (PCS-1900 ,USA) 400 MHz (rural) 800 MHz (Amerique du Nord)

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Historique

De Marconi a L’U.M.T.S.2G : le timing

1982 Debut de la specif GSM (1982-1990)

1983 Deploiement de AMPS

1984 CT-1 (Cordless Telephone, Europe)

1991 Specification de DECT (Digital European CordelessTelephone)portee de 100 a 500 m, 120 canaux, 1.2 Mbit/s en donnees,voix encryptee, authentification ... se retrouve dans IMT-2000

1992 Debut du deploiement de G.S.M.

1994 DSC-1800

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Historique

De Marconi a l’U.M.T.S.La troisieme generation

HSCSD High Speed Circuit Switched DataI Communications de donnees orientees circuitI Peut utiliser jusque 4 slots GSM (1 slot = 9,6 ou 14,4

Kbps)

GPRS General Packet Radio ServiceI Communications de donnees orientees paquetI Peut utiliser jusque 8 slots GSM (115 Kbps)

EDGE Enhanced Data-rates for Global EvolutionI Modulations d’ordre superieur (plus de bits/symbole)I 384 Kbps (avec 8 slots)I Modulations adaptatives, ARQ incremental

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Historique

De Marconi a l’U.M.T.S.La troisieme generation

U.M.T.S Universal Mobile TelecommunicationSystemI IMT-2000 (www.itu.ch) : appel a propositions pour 1998

ObjectifsI Support multimediaI 2 Mbit/s en vitesse reduiteI 144 kbit/sec en vitesse elevee (¿ 120 km/h)I couverture mondiale

I UMTS Forum en 1996I 15 propositions en 1998I 3GPP et 3GPP2 crees en Janvier 1999

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Le Reseau G.S.M

Architecture

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Le Reseau G.S.M

Hierarchie

MSC Mobile Switching Center

LA Location Area

BSC Base Station Controller

BTS Base Transceiver Station

Hierarchie : region MSC⇐ n Location Areas⇐ m BSCs⇐ k BTSc©Deneire 13

Le Reseau G.S.M

Hierarchie

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Le Reseau G.S.M

Hierarchie

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Le Reseau G.S.M

Hierarchie

Trois sous systemes

Deux composantesI L’infrastructure fixeI Les mobiles

Infrastructure divisee en 3 sous-systemes1. BSS : Base Station Subsystem⇒ transmission depuis le

mobile vers le NSS2. NSS : Network Switching Subsystem⇒ Communication

et interconnexion avec les autres reseaux3. OSS : Operational Subsystem⇒ Administration du

reseau GSM

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Le Reseau G.S.M

Les mobiles

Deux composants qui separent la mobilite de l’equipement et la mobilitede l’utilisateur

Equipement mobileI Le telephone s’identifieI Adresse : IMEI : International Mobile Equipment Identity

L’utilisateur mobile : SIMI SIM :Subscriber Identity Module (fixe ou non)I Identite : IMSI : International Mobile Subscriber IdentityI Adresse : MSISDN :Mobile Subscriber ISDN Number

(no tel)

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Le Reseau G.S.M

Les mobiles

Structure du mobile

MT : Mobile Termination Interface Radio

TE : Terminal Equipment Interfaceutilisateur + applis (fax, ...)

TA : Terminal Adaptor Interface entre MTet divers TE

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Le Reseau G.S.M

Les mobiles

Classe Puissance Max (W) Type de terminalI 20 vehiculeII 8 vehiculeIII 5 portableIV 2 portableV 0,8 portable

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Le Reseau G.S.M

Les mobiles

l’IMEI : structure et gestion

IMEI : 15 digits

TAC ( 6 ) — FAC ( 2 ) — SNR ( 6 ) — SP (1)

Type Approval Code ; Final Assembly Code ; Serial Number ;Spare Digit

role de l’IMEI : protection contre le vol et la “panne”

EIR : Equipment Identity Register 1 DB par operateur, echangeesWhite list ... OKBlack list ... pas OK (sauf urgences)Grey list ... usage interne (pannes, vieux GSMs ...)

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Le Reseau G.S.M

Les mobiles

l’usager, sa carte SIM et sa confidentialite

SIMI associee a l’utilisateurI contient les adresses utilisateurI Assure l’authentification et l’encryptageI Personalisation (services) et protection

(PIN(4-8)/PUK(8))

IMSI International Mobile Subscription Identity

biunivoque SIM, specifique GSM, 15 digits

MCC (3) — MNC (3) — MSIN (10)

MCC : Mobile Country Code ; MNC : Mobile Network Code ;MSIN : Mobile Subscriber Identification Number

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Le Reseau G.S.M

Les mobiles

l’usager, sa carte SIM et sa confidentialite

MSISDN Mobile Subscriber ISDN Number

no tel (meme structure que le IMSI sauf MNC : region)

separation IMSI-MSISDNI permet la confidentialite,I facilite la modification des numeros + routageI l’association de plusieurs numeros (pour + services) a un

utilisateur

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Le Reseau G.S.M

Les mobiles

Adresses temporaires

TMSI Temporary Mobile Subscriber IdentityI Assigne par la VLR dans une region administrativeI Transmis sur l’interface radio au lieu de l’IMSI (securite)

MSRN Mobile Station Roaming NumberI Un numero MSISDN avec

I le prefixe du reseau visiteI un numero donne par la VLR

I Utilise pour router les appels en itinerance

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Le Reseau G.S.M

L’infrastructure

Composants et interfaces

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Le Reseau G.S.M

L’infrastructure

le sous-systeme station de base

BTS Base Transceiver StationI Emetteur/Recepteur, (de)codage de la voix, adaptation de

debitI Canaux de signalisationI fonctions de couches 2 (FEC, LAPDm)

BSC Base Station ControllerI Fonctions de gestion de l’interface radioI Allocation des canaux, handover ...

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Le Reseau G.S.M

L’infrastructure

La Station de Base

Fonctions de la BTS GROS MODEM :I Modulation/demodulation GMSKI codage de canalI cryptage/decryptageI formattage (trames, entrelacement, ....)I mesures de puissance (RSSI) et d’interference

Puissance max de 320 W a 30 mW (900 MHz) et de 20 W a 160 mw (1800MHz)

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Le Reseau G.S.M

L’infrastructure

Le controlleur de station de base (BSC)

Fonctions de la BSC COMMUTATEUR/MOBILITEI Commuter de/vers la MSC vers/de la bonne BTSI conversion de protocole et de codage (GSM-ISDN)I Gestion de la mobilite du MSI Controle de puissance

1 BSC pour max 40 BTSc©Deneire 27

Le Reseau G.S.M

L’infrastructure

NSS : Network Switching Sub-System

composantsI MSC (Mobile Switching Center) / GMSC (Gateway MSC)I HLR (Home Location Register) / AuC (Authentication

Center)I VLR (Visitor Location Register)I EIR (Equipment Identity Register)

fonctionsI Controle d’appelsI Gestion d’utilisateurs

communication entre composants Extensions mobiles a SS7

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Le Reseau G.S.M

L’infrastructure

MSC : Mobile Switching Center

I Un commutateur RNIS (canaux 64 kbps)I Effectue les taches d’un commutateur de reseau fixeI En outre, effectue

I l’allocation des ressources radioI la gestion des utilisateurs

I authentification, associationI handoverI paging

I Un operateur possede de multiples MSCs ...

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Le Reseau G.S.M

L’infrastructure

HLR : Home Location Register

1 base de donnee par operateur (PLMN)I dupliquee pour la robustesseI Possiblement plus d’une HLR pour de grands operateurs

Contenu infos sur tout usager de l’operateurI en permanence

I IMSI, MSISDNI abonnements/services (avec tous les attributs)I IMEII infos d’authentification

I temporairement : infos sur l’endroit ou se trouve l’utilisateurI adresse de la VLRI adresse de la MSCI adresse MSRN (si pas connecte a l’operateur d’origine

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Le Reseau G.S.M

L’infrastructure

AUC : Authentication Center

Associe voire integre a la HLR

Recherche par IMSI

Responsable des donnees liees a la securiteI la cle secrete pour l’authentificationI la cle d’encryptage utilisee sur le canal radioI les algorithmes poru calculer les cles temporaires

(authentification)

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Le Reseau G.S.M

L’infrastructure

GMSC : Gateway MSCquand on quitte son operateur

I CAR commutateurs fixes ne gerent pas la mobiliteI DOIT interroger la HLR pour localiser le MS

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Le Reseau G.S.M

L’infrastructure

VLR : Visitor Location Register

au plus 1 VLR par MSC En general MSC↔ VLR ; possible 1 VLR pour plusieursMSCs

Entrees Tout utilisateur / MSISDN dans la region de la MSCAussi pour les utilisateurs en itinerance

Contenu donnees souscripteurI IMSI, MSISDNI services / parametresI infos equipement utilisateur (IMEI)I donnees d’authentification

donnees de routage et de localisationI MSRN (Mobile Station Roaming Number)I TMSI (Temporary Mobile Station Identity)I LAI (Location Area Identity)

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Le Reseau G.S.M

L’infrastructure

OSS : Operation and Maintenance Subsystem

Mesures et controle du reseauMonitore et initie par le centre de maintenance (OMC)Fonctions principales:

I Administration reseau (config, reglages, perfs, stats,maintenance)

I Commerciales (facturation / accounting)I gestion de securite (EIR)

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Le Reseau G.S.M

Interface Radio

Partie RADIO supposee connueSinon reprendre la presentation de Giuseppe Bianchi

Mais quelques rappels de base

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Le Reseau G.S.M

Interface Radio

Rappel du spectre Radio

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Le Reseau G.S.M

Interface Radio

Canaux logiquesA vos crayons ...

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Le Reseau G.S.M

Interface Radio

Exemple de procedure avec signalisation

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Le Reseau G.S.M

Commutation et mobilite

La couche reseau du GSM3 sous-couches RR : Radio Resource Management , fournit un

lien (communication) entre le MSet le MSC

MM : Mobility Management , gere les bases dedonnees de localisation dumobile

CM : Communication Management , controle laconnextion utilisateur

Se base sur la couche de transmission

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Le Reseau G.S.M


RR : Radio Resource Management

gere l’admnistration des frequences et canaux Principalement l’interfaceradio

Garantit un lien stable en changeant de cellule ⇒ Handover dans le RR (pasle MM, en effet, la mobilite est vue du point de vue“macro-mobilite”)

FonctionsI Monitoring du BCCH, PCHI Administration du RACHI Demande / assignation de canauxI controle de puissance de la MS et synchroI Handover

RR implemente dans la MS, BTS, BSC, MSC

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Le Reseau G.S.M


MM : Mobility Management

Gere la localisation de l’utilisateur et les taches liees a la mobilite

FonctionsI Assigne la TMSII Localisation de la MSI Mise a jour de la localisationI Authentification de la MSI Identification, association/desassociation de la MS

MM implemente dans la MS, MSC

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Le Reseau G.S.M


CM : Communication Management

controle des appels, services supplementaires (SMS, ...)

FonctionsI Etablissement de l’appel (de ou vers la MS)I gestion des appels d’urgenceI Fin d’appelI signalisation DTMFI modification en cours d’appel

CM implemente dans la MS, MSC, GMSC

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Le Reseau G.S.M


Les protocoles et les equipements

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Le Reseau G.S.M


Handover : Principe de base

Un mobile doitI monitorer la puissance des balises des cellules voisinesI garder les infos sur les 6 meilleures cellulesI Decoder leur BCCH (FCCH, SCH) pour obtenir leurs

parametresI au moins toutes les 5 minutesI BSIC (Base Station Identity Code, dans SCH) au moins toutes

les 30 secondesc©Deneire 44

Le Reseau G.S.M


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Le Reseau G.S.M


Metriques et hysterese

RXLEV(n) : Niveau reu (en dBm)Parametres : Niveau RX et TX min,

maxInfos additionelles : infos temporelles et

d’etat du reseauHyster‘ese : de 5-10 dB jusque 30 dB,

eviter le ping-pong

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Le Reseau G.S.M


Signalisation et procedure de Handover

1. La requete est envoyee aucommutateur

2. Le commutateur cree la nouvelleroute sur le reseau fixe

3. Le commutateur envoye la commandede handover au mobile

4. Le mobile accede au nouveau canal5. L’ancien canal et l’ancienne route sont

detruits

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Le Reseau G.S.M


Location Area et MSC Service Area

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Le Reseau G.S.M


Mobilite –¿ suite GPRS ?

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Le Reseau G.S.M


Telephonie Mobile de troisieme generationCours 2 : EDGE

GPRS

Luc Deneire

Departement R & T.Licence Professionelle

Janvier 2008

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GPRS

Cahier des charges

Mode Paquet : Offrir une communication donnees en mode paquet sur leGSM

Haut debit : Offrir un plus haut debit que le 14,4 kbits/s

EvolutifI Fournir la base de la partie reseau de la 3GI Se marrier avec EDGE pour un debit de 144 kbits/s

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GPRS

Cahier des charges

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GPRS

Architecture Reseau

Trois nouvelles entites : SGSN / GGSN / BG

SGSN: Serving GPRS Support NodeI Joue le role de la VLR (localisation sur une RA:Routing

area)I Allocation d’identite temporaire P-TMSI : Packet-TMSII Gestion de mobiliteI Interfacage et signalisation avec les autres

sous-systemesI Cryptage et compressionI Gestion de session “paquet”I Tunelling de donnees

GGSN : Gateway GPRS Support NodeI Meme fonction que le GMSC pour le GPRS (vers les

reseaux “paquet”)

BG : Border GatewayI Connexion du reseau GPRS-coeur (IP) vers les reseaux

interconnectes

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GPRS

Architecture Reseau

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GPRS

Architecture Reseau

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GPRS

le reseau backbone

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GPRS

La pile de protocole (plan transmission)

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GPRS : Gestion de mobilite

Concepts

Fonctions

AttachI Qui est le mobile ?I Que sait-il / peut-il faire ?

Detach Quitter ...

LocalisationI Ou est le mobile

I Router vers le MSI Une seule route MS⇒ SGSN et SGSN⇒ GGSN

I Economiser la batterie de la MSI Minimiser l’utilisation de la radio

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Concepts

Solutions et contraintes du systeme

Attach et Detach : peu frequentsI Attach le matin, Detach le soirI A priori simpleI ⇒ Ne doit pas etre optimise

Gestion de la mobilite : plus problematiqueI Changement de cellule frequent (?)I L’envoi de donnees en voie montante consomme bcpI Grand nombre de MS attaches au service GPRS !

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Concepts

GPRS MM : deux regions selon l’activite du MS

Quand le MS est passif mise a jour quand on change de grande region(comme en GSM en mode deconnecte)

I MS est dit en “etat standby”I Si la MS bouge bcp, moins de trafic⇒ OK batterieI ⇒ moins de capacite perdue pour la signalisationI ⇒ Localisation peu preciseI ⇒ Transfert de donnees retardeI ⇒ Charge due au paging plus eleveI cellule ≤ RA (Routing Area) ≤ LA (Location Area)

Quand le MS est actif mise a jour a chaque changement de cellule (commeen GSM en mode connecte)

I MS est dit en “etat Ready”I OK si la MS bouge peu et recoit bcp de donneesI ⇒ Localisation preciseI ⇒ Pas de pagingI ⇒ Transfert de donnees rapideI ⇒ capacite perdue pour la signalisationI ⇒ batterie pas OK (mises a jour frequentes)

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Machine d’etat de la mobilite

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GPRS/IMSI Attach

I Informer le reseau que la MS veut etre activeI Le reseau verifie l’identite de la MSI Le SGSN charge l’info sur le MS depuis la HLR (si necessaire)I Mise a jour de la MSC/VLR (si connexion IMSI, c’est-a-dire voix/circuit)

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GPRS/IMSI Attach

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Detach demande par la MS

I la MS informe le reseauI Le reseau libere tous les contextesI La localisation n’est plus mise a jourI La MS n’envoie plus de contexte au reseauI Plus de transfert de donnees de/vers le MS

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Detach demande par la MS

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Detach demande par le reseau

I MS mauvais eleveI CongestionI Immediate Service Termination (IST) ... mauvais payeurI Rechargement de parametresI ...

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MS purge : lien entre reseau maison et reseau visite

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Securite

I AuthentificationI Signature P-TMSI (Packet Temporary MS Identity)I Reallocation de P-TMSII Portee de l’encryption

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Securite

AuthentificationObjectifs

I Le reseau veut verifier l’identite de la MSI Le reseau alloue une identite temporaire au MSI En meme temps, une cle de cryptage est generee dans la MS (le reseau

a deja cette cle

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Securite

Authentification

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Securite

Reallocation P-TMSI

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Securite

Portee de l’encryptage

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Securite

Verification d’identite

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Gestion de la localisation

Fonctions de localisation

I Selection de cellule et de PLMN (operateur)I Connaissance de Routing Area (standby) et cellule (ready)I Mise a jour de Routing Area, Location Area et celluleI Fonctionnement :

I la MS choisit la nouvelle celluleI MS compare avec l’ancienneI si meme RA Rightarrow maj de celluleI si pas meme RA Rightarrow maj de cellule + RAI si pas meme LA Rightarrow maj de cellule + RA + LA (si GSM)

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Mise a jour RA

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Mise a jour RA+LA

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Paging d’une MS GPRS

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Adressage PDP

contexe PDP (Packet Data Network ?)

Adressage statique : le HPLMN assigne une adresse permanente

Adressage dynamiqueI le HPLMN assigne une adresse PDP quand le contexte

est activeI le VPLMN assigne une adresse PDP quand le contexte

est active

Decision du HPLMN

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Activation de context PDP initie par le MS

I Le MS informe le reseau de la demande d’activationI Type de PDPI Adresse PDPI Parametres QoS (qualite de service)I APN (Access Point Name : GGSN)

I SGSN verifie les permissions du MSI le SGSN selecitonne le GGSN (si pas indique)I Negociation de QoS (MS / SGSN / GGSN)

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Activation de contexte PDP initie par le MS

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Autres actions sur le contexte PDP

I Activation par le reseau : rare et dangereuxI Modification de contexte (QoS)I Desactivation du contexte (non utile/congestion ...) ⇒ plus de transfert

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Transfert de donnees / routage

MS de/vers reseau fixe

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Transfert de donnees / routage

MS vers MS

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EDGE

Introduction

I Base sur le GPRSI Phase 1 : jusque 384 kbps

I GMSK + PSK-8I de 8.2 a 59.2 kbps par slotI 4 type de codageI Necessite des amplis lineaires (< 3dB PAPR)

I Phase 2 : Voice over IP

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EDGE

Modulations

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EDGE

Formats

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EDGE

Formats

Ex : Famille A, MCS-9, 8PSK non code, 2blocs/20 ms

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EDGE

Gain du au multi-slot

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EDGE

Redondance incrementale (RI)

I Envoi de redondance uniquement si necessaireI ARQ dit de type III Exemple

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EDGE


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EDGE


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EDGE


Telephonie Mobile de troisieme generationCours 3 : UMTS

Architecture et Interface radio de l’UTRAN

Luc Deneire

Departement R. & TLicence Professionelle

Janvier 2008

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UMTS : Architecture

Reference

UMTS Les origines, l’architecture, la normePierre Lescuyer, deuxieme editionDunod

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UMTS : Architecture

Concepts de Base

La Necessite de la 3G, plus qu’une course au debit

Nouveaux services video, Internet, ...

Independance de la couche d’acces radio evolutivite

Strates

RAB : Radio Access Bearer

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UMTS : Architecture

Concepts de Base

Decoupage en strates

Access Stratum : fonctions liees au reseau d’acces

Non-Access Stratum : le resteI Call Control (circuit)I Session Management (paquet)I Mobility Management (circuit)I GPRS Mobility Management (paquet)

Access Stratum Non Access StratumGestion de la signalisation d’appel XAuthentification XFonction de Handover XGestion des services supplementaires XGestion des ressources radio XChiffrement X (X)Compression X (X)Mecanismes de facturation X

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UMTS : Architecture

Concepts de Base

Liens entre AS et NAS

General Control SAP (Service Access Point) Services lies a la diffustiond’informations (meteo, pub, config reseau, ...)

Notification SAP diffusion sur l’interface d’acces : paging, appel de groupe(non encore introduit)

dedicated control SAP Dedies a un mobileI Etablissement et liberation de connexions de

signalisationI emission et reception de messages supportes par ces

connexions (SMS, signaux MM, CC, PMM, SM)

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UMTS : Architecture

Concepts de Base

Notion de RAB (Radio Access Bearer)

RAB : Vision que le NAS a du canal de communication

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UMTS : Architecture

Concepts de Base

Attributs du RAB

I Classe de service (conversational, streaming, interactive, background)I debit maximalI debit garantiI taille des SDUI taux de SDU erronesI taux d’erreurs residuelI delai de transfertI prioriteI capacite de preemption, vulnerabilite a la premption

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UMTS : Architecture

Concepts de Base

Fonctions de l’UTRAN selon les attributs du RAB

I Choix du condage de canalI Dimensionnement des ressources radioI Allocation du radio bearer et de l’Iu bearerI Configuration des protocoles radio

! Processus non decrit dans la norme

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UMTS : Architecture

Concepts de Base

Zones geographiques

Service Area Broadcastbase sur les coordonnees GPS (pas les cellules)

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téléphonie mobile de troisième génération - de gsm à hspda

Documents