Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Cours n°°5 : « Techniques et réseaux de télécommunications » Panorama des Réseaux mobiles [email protected] Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques 2G-GSM 1 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Plan du cours ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Historique Marché Organisation fréquentielle Caractéristiques essentielles des Réseaux mobiles Architecture Principe de la propagation radio Capacité d’une liaison radio Motifs cellulaires Duplexage Codeur de source Voie Balise / Etapes préalables à une communication Gestion de la mobilité : handover Architecture GSM, GPRS, EDGE Multiplexage des utilisateurs UMTS, HSPA Ressources radios utilisées LTE, LTE-A Gestion de la mobilité Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 2 Historique Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Historique Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Historique Caractéristiques 2G-GSM 3 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Quatre Générations de Téléphonie mobile 1G : Réseaux « analogiques » ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier 2G : Réseaux « numériques » : GSM services offerts : voix + données à « haut » débit France : 2004 => … 3.5G : Réseaux « numériques » : HSDPA / HSUPA services offerts : voix + données France : 2002 => … 3G : Réseaux « numériques » : UMTS vocodeur + modulation numérique ROAMING service offert : voix France : 1992 => … 2.5G : Réseaux « numériques » : GPRS, EDGE modulation analogique service offert : voix France : 1986 – 1994 – 1999 services offerts : voix + données à « très haut » débit France : 2005 / 2007 => … 4G : Réseaux « numériques » : LTE, WiMAX services offerts : voix + données à « très très haut » débit France (WiMAX) : 2007 / 2008 => … Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 4 Historique Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA Marché de la téléphonie mobile ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier 1/ fin 2011 : mi-2013 : Technologies Subscriptions ALL 6.52 billion 3GPP family: 5.6 billion • WCDMA and HSPA 1.2 billion • LTE 100 million Market Share 90.4 % Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 5 Historique Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Marché de la téléphonie mobile 4G-LTE 3.5G-HSPA 4G-LTE 2/ taux de croissance : +11 abonnés / seconde http://www.itu.int/en/ITU-D/Statistics/Documents/facts/ICTFactsFigures2013.pdf Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 6 Historique Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Marché de la téléphonie mobile ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier 3/ > 220 pays > 800 opérateurs, + MVNO > 2000 téléphones taux de pénétration : >100% dans certains pays réseaux construits avec des technologies : concurrentes ou offrant des services de données à plus ou moins haut débit Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Historique Caractéristiques 2G-GSM 7 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS Marché de la téléphonie mobile ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier 3.5G-HSPA 4G-LTE 4/ France : T3 2007 : Volume mobile = Volume fixe (24 milliards de minutes) T1 2013 : 33 milliards minutes de comm. sur les mobiles…. 32 petaoctets de services multimedia 73 millions d’abonnés ⇔ taux de pénétration = 112 % Revenus : 4 milliards € ⇔ -12% Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 8 Historique Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Marché de la téléphonie mobile ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier 5/ Fin 2011 : 1ers opérateurs nb abonnés & revenus : China mobile (750 millions d’abonnés) ARPU maximal : 3UK Churn minimal : NTT DoCoMo (Japon) (0,5 %) Applications : > 300 000 développées depuis 2008 Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Historique Caractéristiques 2G-GSM 9 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Spectre des fréquences ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier En France : (régulateur : ARCEP Autorité de Régulation des Communications Electroniques et des Postes) 1 33 % 1 33 % 1 33 % 30 MHz Bandes de fréquences (très) payantes : ~ 1milliard d’€ /opérateur pour le LTE ! (‘seulement’ 300 millions pour Free, à 2,6 GHz) 2012: 26 millions, 20 millions, 11 millions, 3,6 millions d’abonnés (en 6 mois!) 2T 2013: 26,8 millions, 20,7 millions, 11,7 millions, 6,1 millions d’abonnés, Virgin M : 1,8 millions abonnés Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 10 Historique Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Exploitation du spectre par les opérateurs Chaque opérateur dispose d’une bande de fréquences, qu’il exploite au mieux pour ses abonnés Cette bande de fréquences n’est pas assez large! ⇒ pour couvrir le territoire, chaque opérateur doit réutiliser toutes les fréquences qui lui ont été attribuées par le régulateur A l’intérieur de cette bande, chaque flux de données (voix, ou transfert de données (multimedia)) doit être transmis : dans une sous-bande de fréquences (« canal ») fixée par l’opérateur du réseau en fonction : de la technologie du réseau des autres abonnés actifs du réseau ⇒ « multiplexage » des utilisateurs, « duplexage » ↑↓ à la puissance optimale pour atteindre la QoS désirée sans (trop) gêner les autres utilisateurs actifs du réseau Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Historique Caractéristiques 2G-GSM 11 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Interférences intra-opérateur ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Interférences = gêne causée par l’utilisation de fréquences radios (propagation non confinée) Interférences adjacentes Interférences cocanales Gabarit de puissance à respecter Puissance (1) (2) (3) f1 Spectre des fréquences Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 12 Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Caractéristiques essentielles des Réseaux mobiles Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 13 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Architecture : résumé ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier L’architecture des réseaux mobiles est normalisée ⇒ interconnexion possible des équipements de différents constructeurs/fournisseurs L’architecture se divise en deux sous-systèmes : Sous-système radio, ou d’accès: accès des abonnés au réseau BSS (GSM), UTRAN (UMTS), E-UTRAN (LTE) Sous-système cœur de réseau commutation, routage NSS (GSM), CN (UMTS), SAE (LTE) Et en parallèle : Sous-sytème maintenance & supervision OSS Chaque opérateur déploie toute l’architecture pour former un Public Land Mobile Network Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 14 Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Architecture : 1/ Téléphones ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Téléphone portable (terminal, mobile, User Equipment, Mobile Station, etc) Ventes 2012 : o Samsung: 396.5 millions o Nokia: 335.6 millions o Apple: 157.6 millions o ZTE: 71.7 millions o LG: 55.9 millions o autres: 635.4 millions Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 15 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Architecture : 1/ Téléphones ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Débit d’Absorption Spécifique DAS d’un téléphone [SAR (Specific Absorption Rate)] = puissance maximale absorbée localement par un utilisateur lors de l’utilisation de ce téléphone Mesure du DAS sur un modèle de tête humaine en résine remplie d’un liquide dit « fantôme », offrant des caractéristiques d’absorption des ondes électromagnétiques semblables à celles d’une vraie tête humaine. par une sonde plongée dans le liquide, avec le mobile émettant à puissance maximale et placé dans diverses positions représentatives de l’usage normal. DAS < 2W/kg Conclusions : mesures élémentaires : limiter la proximité ⇒ kit oreillette, pas dans les poches/près d’un implant/etc, recharge/communication dans un endroit isolé (exposition passive) limiter l’exposition ⇒ enfants, téléphoner dans les conditions de bonne réception du réseau Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 16 Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Architecture : 2/ Points d’accès ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Points d’accès au réseau : Base Station, NodeB, eNodeB, etc Puissance maximale d’émission : 30-40 W Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 17 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Architecture : 2/ Points d’accès ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Objectifs pour chaque opérateur de réseau : « couvrir » tout le territoire, sans « trou de couverture » tirer parti au maximum de chaque site Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 18 Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Architecture : 2/ Points d’accès ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Réutilisation des sites existants pour les nouvelles technologies à déployer Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 19 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Architecture : 2/ Points d’accès ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Réalisation de nouveaux sites, en 4 étapes : Négociation contraintes environnementales effet des ondes Constructibilité dépend des communes autorisations administratives Travaux Raccordement points difficiles pour l’opérateur coûts fixes, quelle que soit la capacité du site électrique Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 20 Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Architecture : 2/ Points d’accès ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Définitions des objectifs d ’un site gain économique de la sectorisation standardisation des topologies équilibrage des bilans de liaison avec des terminaux typiques diversité dégagement des aériens respect des règles d’environnement et de sécurité santé, principe de précaution : balisage des sites, éviter la concentration d’antennes Couverture & Capacité au meilleur coût et avec la meilleure qualité de service Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 21 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Architecture : 3/ Contrôleurs Contrôleurs des points d’accès BSC, RNC Organes intelligent du réseau d’accès de l’opérateur : Gestion des ressources radios (quel circuit/paquet? à qui? pendant combien de temps) Reliés aux points d’accès généralement par faisceaux hertziens Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 22 Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Architecture : 4/ Commutateurs Commutateurs MSC, Gateways, Servers, etc Composants du réseau cœur de l’opérateur Décident de la route à emprunter pour joindre le(s) destinataire(s) : circuits à établir paquets à envoyer Gèrent la mobilité des abonnés En relation avec les bases de données, aident à : l’authentification des abonnés l’authentification des terminaux des abonnés la localisation des abonnés la facturation des abonnés Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 23 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Architecture : 5/ Bases de données Home Location Register, Home Subscriber Server Contenu des bases de données, pour chaque abonné de l’opérateur : identité, références (bancaires, adresses, etc) outils pour l’authentification : de l’abonné de son terminal caractéristiques de l’abonnement « localisation » Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 24 Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Propagation radio : formules utiles ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Longueur d’onde d’un signal se propageant à la fréquence f : c λ= f c = 3.108 m/s La pénétration dans un bâtiment est impossible lorsque l'épaisseur de l'obstacle est très supérieure à la longueur d'onde Fréquence ↑ ⇒ Pénétration ↓ Affaiblissement subi en espace libre par un signal transmis à la fréquence f sur une distance d : d A = 4π λ 2 Fréquence ↑ ⇒ Affaiblissement ↑ Densité de l’espace ↑ ⇒ Affaiblissement ↑ Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 25 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Propagation radio : Réutilisation de sites ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Opérateur « historique » 900 : ajout de fréquences 1800, 2000, etc capacité au cœur des cellules ↑↑ trous de couverture → Opérateur « historique » 1800 : ajout de fréquences 900 capacité ↑↑ trous de couverture ↓↓ 1800 Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 900 26 Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Propagation radio : phénomènes réflexion diffusion diffraction pénétration ⇒ Affaiblissement de l’onde radio très dépendante de l’environnement urbain, suburbain, rural, plat, montagneux étendue d’eau Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 27 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Propagation radio : Canal de transmission ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier support : Air trajet : point d’accès au réseau (« antenne ») ⇔ mobile caractéristiques : dégradations : « pathloss » : fluctuations très importantes dans le temps et dans l'espace pertes de propagation effets de masque dus aux obstacles évanouissements dus aux multitrajets gênes : « interférences » brouillages dûs aux fréquences radios adjacentes brouillages sur les mêmes fréquences (réutilisation) Bilan de liaison entre l'émetteur et le récepteur Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 28 Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Propagation radio : Pathloss choix d'un modèle, en fonction : ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier de sa complexité ( ie de l’urgence du résultat) de l'environnement où l’appliquer types de modèles : déterministes / empiriques outdoor / indoor exemple (Okumura-Hata) : AdB = 69,55 + 26,16 log10 fp - 13,82 log10 hBS - A(hMS) + (44,9 - 6,55 log10 hBS) log10 d connaissance indispensable de l’environnement : nécessité de connaître les obstacles ⇔ établissement de bases de données : photos satellites, aériennes, cartes, ‘rasters’ (ie composition du terrain : béton, feuillages, eaux, etc) prix : fonction de la résolution (250 m 5 m, Paris : 200 k€ 01/2008) inférieur à la valeur maximale autorisé calculé par le bilan de liaison savoir-faire confidentiel de l'opérateur Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 29 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Propagation radio : Résultats de simulation Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 30 Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Propagation radio : qualité du lien radio 1/ ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Bonne qualité du lien radio ⇔ : S >> 1 I Signal reçu : fort Interférences reçues : faibles Compromis (puissance reçue max / interférences min) à faire de manière à optimiser la puissance d’émission : « contrôle de puissance » ⇒ assurer la QoS requise pour chaque utilisateur dans tous le réseau ⇒ assurer une consommation minimale d’énergie des émetteurs « green communications » durée de vie des batteries des téléphones ↑ Montant des factures d’électricité des opérateurs ↓ Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 31 Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Propagation radio : qualité du lien radio 2/ Puissance du signal reçu Théorème de Shannon : Débit maximal offert 14 Debit maximal par unité de largeur de bande : D/L ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier S D = L × log 2 1 + B 12 Largeur de bande 10 8 bits/s Puissance des interférences et du bruit reçus 6 4 2 0 0 500 1000 1500 2000 Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 2500 S/B 3000 3500 4000 4500 5000 3232 Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Propagation radio : qualité du lien radio 3/ ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Théorème de Shannon, analogie avec une autoroute : La rapidité d’écoulement du trafic dépend : de la largeur de la route de la vitesse des voitures Largeur de bande ↑ => débit ↑ Largeur de bande (MHz) largeur de la route (nb voies) débit (kb/s) vitesse (km/h) 2013––Emmanuelle Panorama des réseaux mobiles ISEP –Nov. IT1201 Vivier Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 3333 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Propagation radio : Types de cellules ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier macro-cellules : mobiles rapides micro-cellules : piétons rayon : 100 à 300 m; en fait, couverture de type « canyon » hauteur des antennes : au-dessous des toits pico-cellules : intérieur des bâtiments portée : 0,4 km à 30 km hauteur des antennes : au-dessus des toits rayon : 10 à 50 m femto-cellules : couverture radio du domicile concept un peu à part (connexion directe au réseau cœur de l’opérateur) Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 34 Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Motifs cellulaires A chaque cellule est associée une sous-bande de fréquences plus ou moins large de la bande de fréquences totale allouée à l’opérateur Largeur de la bande de fréquences allouée à une cellule ↑ ⇒ capacité de la cellule ↑ : Nombre d’abonnés servis ↑ et Débit offert à chaque abonné → ou Nombre d’abonnés servis → et Débit offert à chaque abonné ↑ Chaque opérateur réutilise toutes les fréquences qui lui ont été attribuées par le régulateur selon un « motif cellulaire » (reuse pattern) Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 35 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Motifs cellulaires ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Exemple de motif : taille = 7 Taille régulière ⇒ interféreurs sur un cercle ⇒ gestion des interférences plus aisée Densification du réseau : Distance inter-site ↓ ⇒ capacité par km2 ↑ 8 Taille de motif ↓ (3) ⇒ largeur de bande allouée à chaque cellule ↑, nb de canaux radios ↑ ⇒ capacité par cellule ↑ Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 8 9 9 7 11 7 5 12 10 4 2 3 1 11 6 5 12 10 6 4 2 3 1 36 Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Duplexage ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Duplexage = séparation des voies montantes et descendantes : Duplexage en fréquence : « Frequency Division Duplex » Paramètre : Écart duplex (en MHz) Duplexage en temps : « Time Division Duplex » Voie montante : du mobile vers le réseau Voie descendante : du réseau vers le mobile Paramètre : Durée trame (en ms) GSM : FDD, UMTS : FDD/TDD, LTE : FDD/TDD Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 37 Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Duplexage : FDD Variation possible de la largeur de bande : d’un utilisateur à l’autre d’une voie à l’autre fréquences ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Voies descendantes écart duplex Voies montantes temps Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 38 Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Duplexage : TDD Variation possible de l’organisation de la trame : fréquences ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier d’un utilisateur à l’autre d’une voie à l’autre Trame Trame montante descendante temps Durée Trame (ms) Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 39 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Codeur de source ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Objectif du codage de source : Réduire le débit des informations à transmettre, pour : réduire la bande de fréquences à utiliser… mieux protéger le signal à transmettre caractériser un signal vocal sur une période de 20 à 30 ms ⇒ en sortie du codeur de source, toutes les 20 ms, le signal transmis n’est donc plus le signal de parole, mais des données le caractérisant Caractéristique des réseaux numériques (2G et au-delà) Codeur/Décodeur de source = « Codec » exemple : Débit en sortie du codec (GSM / UMTS / LTE) : 12.2 kbits/s au lieu de 64 kbits/s (réseaux fixes) Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 40 Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Voie Balise ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Chaque cellule consacre une partie de la bande de fréquences qui lui a été allouée pour diffuser des informations d’ordre général : Identité de la cellule Organisation de la cellule L’ensemble de ces informations constituent la « voie balise » (beacon channel), comme un phare à l’entrée d’un port La voie balise de chaque système est : très reconnaissable et décodable par tous les mobiles concernés Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 41 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Etapes préalables à une communication étape 1 : mise sous tension du mobile ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier étape 2 : état de veille dans une cellule (« courante ») resélection de cellule, reprise de l'étape 2 sur une nouvelle voie balise mise à jour de localisation, reprise de l'étape 2 sur une nouvelle voie balise étape 4 : appel « entrant » (si « sortant » : étape 5 direct) décodage des données de la voie balise courante (identification de la cellule, liste des voies balises des cellules voisines) scrutation des voies balises des BTS voisines étape 3 (éventuelle) : scrutation de toutes les voies balises du réseau diffusion de l'identité du mobile sur le canal de paging de toutes les voies balises des BTS de la Zone de Localisation étape 5 : réponse du mobile accès alétoire du mobile sur un canal partagé de la voie balise de la BTS courante allocation par le réseau d'un canal dédié au mobile. Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 42 Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Etapes préalables à une communication étape 6 : signalisation d'avant-communication ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier étape 7 : dialogue allocation d'un nouveau canal (payant!) de la BTS courante (et d’un canal de supervision de la communication) scrutation des voies balises des cellules voisines 1/26ème du temps étape 8 (éventuelle) : handover chiffrement, authentification, numéro appelant... description d'un nouveau canal (payant) accès sur ce nouveau canal et reprise de la communication scrutation des voies balises des cellules voisines 1/26ème du temps étape 9 : fin de communication désallocation du canal de communication retour à l'étape 2 ou extinction du mobile. Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 43 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA Gestion de la mobilité : Handover ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier 4G-LTE 1/ Handover (handoff), HO (≠ resélection de cellule) : mécanisme grâce auquel le mobile transfère sa connexion au réseau (i.e. EN COURS DE COMMUNICATION) d’un canal radio vers un autre canal radio, appartenant ou non à la même station de base. déclenchement après analyse des mesures radios des liens ↑↓ Paris : ∼ 1 handover / 40 sec. / abonné Le transfert d’un canal radio à un autre peut : entraîner une coupure de la liaison mobile ↔ réseau ⇒ « hard handover » : GSM, UMTS TDD, UMTS inter-bandes, LTE ne pas entraîner une coupure de la liaison mobile ↔ réseau ⇒ « soft handover » : UMTS FDD entraîner une MAJ de localisation dans les BdD du réseau Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 44 Historique Caractéristiques Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Gestion de la mobilité : Handover 2/ Puissaance du signal reçu ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier cellule A Zone soft HO Seuil hard HO cellule B Position du mobile cellule serveuse hard handover soft handover cellule A cellule A cellule B cellule B Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles - GSM 2.5G-GPRS/EDGE Historique Caractéristiques 2G 2G-GSM 45 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier GSM (2G) Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 46 - GSM 2.5G-GPRS/EDGE Historique Caractéristiques 2G 2G-GSM 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE La technologie GSM Groupe Spécial Mobile ⇒ Global System for Mobile communications ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Système novateur, conçu par deux laboratoires de R&D publics (France, Allemagne) : Commutation de circuits Système cellulaire numérique + Modulation radio robuste Roaming automatique Séparation de la fonction téléphonique du mobile de la fonction « identification », placée dans une carte à puce (SIM) Cryptage des communications; protection de l’identité de l’abonné Normalisation (1987- 1995) : par l’organisme de normalisation européen ETSI 1/ Réservation d’un espace suffisant dans le spectre radioélectrique (dès 1979 dans la bande des 900 MHz) Etablissement de normes très détaillées et précises, sans options Ouverture des réseaux : 1992 : Orange France & SFR 1996 : Bouygues Telecom Fin 1999 : fin du service analogique Oct. 2001 : Abonnés mobiles > abonnés fixes en France 2013––Emmanuelle Panorama des réseaux mobiles ISEP –Nov. IT1201 Vivier - GSM 2.5G-GPRS/EDGE Historique Caractéristiques 2G 2G-GSM 4747 3G-UMTS 3.5G-HSPA La technologie GSM ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier > 4,3 milliards d’abonnés dans le monde : > 700 opérateurs > 210 pays taux de croissance : +15 abonnés / seconde > 2000 terminaux Chine (570 millions), Inde (580 millions), Russie (240 millions) Taux de pénétration (fin 2006) : 82.5 % en France 2/ Fin 2011 : 4G-LTE Orange : 23 millions d’abonnés SFR : 19 millions d’abonnés Bouygues Telecom : 8.7 millions d’abonnés Réseau concurrent : IS-95 (< 10% parts de marché) Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 48 - GSM 2.5G-GPRS/EDGE Historique Caractéristiques 2G 2G-GSM 3G-UMTS 3.5G-HSPA 3/ ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier La technologie GSM : mondiale! 4G-LTE 2013––Emmanuelle Panorama des réseaux mobiles ISEP –Nov. IT1201 Vivier - GSM 2.5G-GPRS/EDGE Historique Caractéristiques 2G 2G-GSM 4949 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Organisation fréquentielle ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Deux bandes de fréquences, aux alentours de : 900 MHz (GSM historique) 1800 MHz (DCS) Bande unitaire : 200 kHz En France, les opérateurs ont désormais une sousbandes dans chacune des bandes 10 MHz dans la bande 900 MHz ~25 Mhz dans la bande 1800 MHz ⇒ couverture des zones rurales et des zones urbaines Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 50 - GSM 2.5G-GPRS/EDGE Historique Caractéristiques 2G 2G-GSM 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier GSM : Architecture 1/ Réseau Téléphonique Commuté Public Réseau GSM d’un autre opérateur G-MSC BSC BSC MSC G-MSC BSC MSC BTS mobile Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles - GSM 2.5G-GPRS/EDGE Historique Caractéristiques 2G 2G-GSM 51 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier GSM : Architecture Mobiles : puissance max d’émission : 1 W (2W) Réseau d’accès : 2/ BTS : points d’accès au réseau BSC : contrôle des BTS Réseau cœur : MSC : commutateur : toutes les communications passent par un MSC G-MSC : passerelle vers les autres réseaux : fixe ou mobile. d’autres éléments de réseau assurent : l’authentification, le chiffrement, la vérification des services souscrits par l’abonné la supervision & la maintenance du réseau Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 52 - GSM 2.5G-GPRS/EDGE Historique Caractéristiques 2G 2G-GSM 3G-UMTS 3.5G-HSPA Rappel : répartition des différents utilisateurs sur la voie radio, entre le mobile et le point d’accès au réseau Multiplexage FDMA : chaque utilisateur utilise un canal radio fréquentiel pendant toute la durée de sa communication : 1/ fréquences ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier GSM : Multiplexage des utilisateurs 4G-LTE temps Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 53 - GSM 2.5G-GPRS/EDGE Historique Caractéristiques 2G 2G-GSM 3G-UMTS 3.5G-HSPA GSM : Multiplexage des utilisateurs 2/ Multiplexage TDMA : chaque utilisateur utilise une portion de la trame radio pendant toute la durée de sa communication : fréquences ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier 4G-LTE temps Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 54 - GSM 2.5G-GPRS/EDGE Historique Caractéristiques 2G 2G-GSM 3G-UMTS 3.5G-HSPA GSM : Multiplexage des utilisateurs 3/ F/TDMA : multiplexage en fréquence et en temps fréquences ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier 4G-LTE Largeur des canaux radios : 200 kHz Durée de la trame radio : 4,615 ms, 8 IT (slots, timeslots) 4,615 ms 200 kHz 577 µs temps Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles - GSM 2.5G-GPRS/EDGE Historique Caractéristiques 2G 2G-GSM 55 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE GSM : Duplexage ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Duplexage FDD, écart duplex : 45 MHz dans la bande 900 MHz 95 MHz dans la bande 1800 MHz Organisation fréquentielle/temporelle : Les données d’un utilisateur ne sont transmises qu’1/8 du temps! Décalage voie ↑ / voie ↓ : 3 timeslots Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 56 - GSM 2.5G-GPRS/EDGE Historique Caractéristiques 2G 2G-GSM 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Voie descendante ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier fréquences Organisation Fréq./Temp. Voie montante 4,615 ms 200 kHz temps 577 µs Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 57 - GSM 2.5G-GPRS/EDGE Historique Caractéristiques 2G 2G-GSM 1 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Ressources radios pour une comm. 0.8 0.4 40 ms, mais 20 ms d'informations 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 8 demi-bursts -0.8 -1 0 1 2 3 4 5 6 Temps (secondes) 7 8 9 10 burst = contenu d'information du slot 1 entrelacement 0.8 0.6 Amplitude du son (normalisée) Amplitude du son (normalisée) ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier 0.6 20 ms 0.4 456 bits 0.2 (protégés) 0 -0.2 -0.4 codeur canal -0.6 -0.8 -1 0.74 0.76 0.78 0.8 Temps (secondes) codec Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 244 bits (non protégés) 58 - GSM 2.5G-GPRS/EDGE Historique Caractéristiques 2G 2G-GSM 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE SMS ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Short Message Services coût très faible pour l’opérateur : messages courts (160 caractères / SMS) débit très faible : < 1kb/s transmission sur des voies de signalisation 2012 : 40 milliards de SMS / trimestre en France (10 milliards pour la nouvelle année en Chine en 2005!) 250 SMS / abonné /mois (> 800 pour les 16-25 ans) Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles - GSM 2.5G-GPRS/EDGE Historique Caractéristiques 2G 2G-GSM 59 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Gestion de la mobilité Hard handover Décidé par les BSC Intervention éventuelle d’au moins un MSC pour les HO inter-BSC Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 60 - GSM 2.5G-GPRS/EDGE Historique Caractéristiques 2G 2G-GSM 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Résumé ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Réseau cellulaire numérique mondial F/TDMA FDD roaming Qualité des communications vocales : ~ identique à celle des communications sur réseau fixe Limitations : Transfert de données : à très bas débit (14,4 kbits/s) en mode circuit, ie canal réservé (et payé) même en cas d’inactivité ⇒ nécessité d’une évolution dans le réseau Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 61 – GPRS/EDGE 3G-UMTS Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G 2.5G-GPRS/EDGE 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier GPRS / EDGE (2.5G) Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 62 – GPRS/EDGE 3G-UMTS Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G 2.5G-GPRS/EDGE 3.5G-HSPA 4G-LTE Besoin de commutation de paquets ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Limites de la commutation de circuits : Flux de données en rafales (« bursty ») Taux d’erreur nécessairement très bas (≠ voix) Contraintes temps réel plus ou moins forte ⇒ General Packet Radio Services, Réseau à commutation de paquets : Nouveaux éléments de réseaux Nouveaux terminaux Débit maximal théorique offert à chaque abonné : 171.2 kbits/s Nouveaux services offerts, dès 2001/2002 en France Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 63 – GPRS/EDGE 3G-UMTS Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G 2.5G-GPRS/EDGE 3.5G-HSPA 4G-LTE Architecture Other GSM network ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Public Switch Telephone Network G-MSC BSC BSC MSC G-MSC MyPhone BSC mobile MSC BTS GPRS Network SGSN Data Network IP, X25... SGSN GGSN BSC G-GSN Other GPRS network Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles BSC 64 – GPRS/EDGE 3G-UMTS Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G 2.5G-GPRS/EDGE 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier GPRS : caractéristiques Commutateur paquets, interconnexion avec Internet Multiplexage F/TDMA comme le GSM Possibilités : d’allouer plusieurs slots par trame à chaque utilisateur, de partager chaque slot avec 7 autres utilisateurs en fonction du débit requis de protéger plus ou moins les données transmises en fonction de la qualité radio et de la QoS requise Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 65 – GPRS/EDGE 3G-UMTS Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G 2.5G-GPRS/EDGE 3.5G-HSPA 4G-LTE Ressources radios pour un flux de données 20 ms ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier 0 1 2 3 4 5 6 7 4 blocs entrelacement 456 bits (protégés) Compression, segmentation, etc 181, 268, 312 ou 428 bits Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles poinçonneur Codeur canal ≥ 456 bits (protégés) 66 – GPRS/EDGE 3G-UMTS Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G 2.5G-GPRS/EDGE 3.5G-HSPA 4G-LTE fréquences Voie descendante 4,616 ms Voie montante ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Organisation Fréq./Temp. voix 200 kHz 577 µs temps Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles – GPRS/EDGE 3G-UMTS Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G 2.5G-GPRS/EDGE 67 3.5G-HSPA 4G-LTE Interactions GSM - GPRS ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Partage de la partie radio du réseau avec le réseau GSM : Débits offerts : partage de la capacité radio de chaque cellule en cas de congestion, priorité d’un service / autre service? > débits offerts par le GSM << débits offerts par le xDSL Limitations du GPRS : Retransmissions à l’identique Débits limités en pratique à 30-50 kbits/s Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 68 – GPRS/EDGE 3G-UMTS Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G 2.5G-GPRS/EDGE 3.5G-HSPA 4G-LTE EDGE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Enhanced Data for GSM Evolution : Multiplication par ~3 des débits des données GPRS : Débit maximal théorique : ~ 472 kbits/s 9 granularités de débits possibles par slot au lieu de 4 : 9 à 59 kbits/s nouveaux terminaux adaptations dans les BTS Adaptation de lien, « link adaptation » : retransmission des paquets erronés avec une protection supérieure/différente Evolution significative à un coût raisonnable Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles – GPRS/EDGE 3G-UMTS Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G 2.5G-GPRS/EDGE 69 3.5G-HSPA 4G-LTE Résumé ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Evolution des réseaux GSM, partageant la même voie radio : F/TDMA, FDD Gestion GSM/GPRS-EDGE : Capacité à la demande Préemption encore aux services GSM Commutation de paquets ⇒ pas de monopolisation des ressources radios en cas d’inactivité Terminaux à Emission/Réception simultanée Interconnexion prévue avec les réseaux 3G-UMTS Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 70 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier UMTS (3G) Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques 2G-GSM 71 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Normalisation - Naissance Universal Mobile Telecommunications System Normalisation (1998-2001) par le 3GPP Respect du cahier des charges de l’IMT2000 Ouverture des réseaux : Japon : oct. 2001 France : sept. / oct. 2004 Dec. 2009 : l’ARCEP accorde une licence 3G à Free Mobile : 240 millions € ouverture du réseau en 2012 (le 10 janvier) : avec Orange pour assurer la couverture avec des offres très concurrentielles couverture de 90% de la population en 2018 Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 72 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Marché ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Abonnés : part majoritaire de la croissance du nombre d’abonnés (2012 : croissance > celle du GSM) Monde : France fin 2009 : 485 millions (dont 180 millions HSPA) fin 2011 : 800 millions (dont 500 millions HSPA) ~400 réseaux dans 170 pays >3000 terminaux fin 2009 : 15 millions fin 2011 : 33 millions (45% du parc mobile) Réseau concurrent : CDMA2000 (évolution de l’IS-95, ~615 millions d’abonnés) Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques 2G-GSM 73 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Marché IMT2000 ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier CDMA 2000, end 2011: ~630 millions subscribers 300 operators, worldwide 116 countries/territories > 2000 devices UMTS, end 2011: 800 millions subscribers (inc. 500 millions HSPA) 300 operators, worldwide 140 countries > 3000 devices Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 74 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Caractéristiques ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Bande de fréquences (licenciées) : 1885-2025 MHz, 2110-2200 MHz + bandes GSM : ‘UMTS 900’ Bande unitaire : 5 MHz Services offerts aux abonnés : circuits / paquets qualité vocale : identique à celle du GSM débit maximal théorique offert à chaque abonné : 2 Mbits/s ↓, 1 Mbits/s ↑ Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 75 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Architecture VOIX MyPhone Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 76 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Architecture Puissance maximale d’émission des terminaux : 0.25 W (24 dBm) Réseau d’accès : NodeB : reliés entre eux! RNC : contrôleur de NodeB, en charge de tout le handover Réseau cœur : UMSC G-UMSC : commutateurs paquets/circuits interconnexion avec les autres réseaux (UMTS, GERAN) Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques 2G-GSM 77 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Multiplexage des utilisateurs CDMA : tous les émetteurs émettent en même temps dans la même bande de fréquences fréquences ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier réception possible grâce à des récepteurs améliorés « rake » Séparation possible des utilisateurs grâce à l’utilisation en émission de codes orthogonaux 10 ms 5 MHz 667 µs Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles temps 78 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Duplexage ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier En UMTS, deux types de duplexage possibles : FDD majoritairement déployé soft HO TDD particulièrement adapté pour les services asymétriques : la proportion de la durée de la trame dédiée à chaque voie s’adapte d’une trame à l’autre ponctuellement déployé, dans des « hot spots » déploiement très contraignant hard HO Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques 2G-GSM 79 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Bandes de fréquences en France ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Mode FDD : 1920 – 1980 MHz, 2110 – 2170 MHz écart duplex : 190 MHz Répartition entre les opérateurs : Orange, SFR : 2 x 20 MHz, ie 4 sous-bandes de 5 MHz ↑↓ Bouygues Telecom : 2 x 15 MHz, ie 3 sous-bandes de 5 MHz ↑↓ Free : 2 x 5 MHz, ie 1 sous-bande de 5 MHz ↑↓ Mode TDD : 1900 – 1920 MHz répartition entre les opérateurs : 1 sous-bande de 5 MHz ↑↓ chacun non déployé en France Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 80 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE fréquences Organisation Fréq. / Temp. Voie descendante Mode FDD 5 MHz Voie montante ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier 1/ 5 MHz temps Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 81 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Organisation Fréq. / Temp. Mode TDD (plusieurs point de commutation ↑↓, dynamiquement positionnables, sont possibles dans chaque trame) fréquences ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier 1/ ↓ ↑ 10 ms Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles ↓ ↑ ↓ 5 MHz temps 82 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Respiration de cellule, « cell breathing » 1/ ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Afin que la réception se fasse correctement, tous les signaux parvenant au NodeB doivent parvenir avec le même niveau de puissance (sinon, « near-far effect ») : contrôle de puissance parfait sur la voie montante ajustement des puissances d’émission des terminaux 1500 fois par seconde Plus la cellule est chargée, plus chacun doit lutter contre les autres et donc transmettre plus fort ⇒ les terminaux en bordure de cellule sont les premiers à devoir transmettre à puissance maximale, puis à abandonner… Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques 2G-GSM 83 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Respiration de cellule, « cell breathing » 2/ Cellule à faible densité d’utilisateurs simultanés Cellule à forte densité d’utilisateurs simultanés Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 84 Historique Caractéristiques 2G-GSM 0.8 0.6 Amplitude du son (normalisée) 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Ressources radios pour un flux de données ou pour une communication 1 0.4 Mode TDD: 0.2 0 -0.2 10 ms -0.4 -0.6 -0.8 0 1 2 3 4 5 -1 0 1 2 3 4 5 6 Temps (secondes) 7 8 9 14 10 1 0.8 0.6 Amplitude du son (normalisée) ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier 2.5G-GPRS/EDGE 20 ms 0.4 Mode FDD: 0.2 0 10 ms -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0.74 0.76 0.78 0.8 Temps (secondes) compression, adaptation, segmentation,etc 0 1 2 3 4 5 14 codec paquets entrelacement ≤ 244 bits codeur canal poinçonnage Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques 2G-GSM 85 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Résumé ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Réseau à commutation : de circuits : pour la voix à 12,2 kbits/s de paquets : pour les données à ≤ 2 Mbits/s, qqs 100 kbits/s dans la réalité Puissances d’émission ↑ avec le débit de transmission Taille des cellules ↓ avec la densité d’utilisateurs simultanés Handovers soft & hard Limitations : débit des données, toujours! Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 86 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE 3.5G-HSPA ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier HSPA (3.5G) Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques 2G-GSM 87 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE 3.5G-HSPA Caractéristiques ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier High Speed Packet Access : Hauts débits Pas de nouveaux sites ~480 réseaux dans 185 pays Downlink : HSDPA Uplink : HSUPA déploiement : 2005 débits offerts : jusqu’à14.4 Mbits/s ↓ déploiement : 2007 débits offerts : jusqu’à 5.76 Mbits/s ↑ HSPA+ dual carrier : 2 x 5 MHz Déploiement : 2009 : First launch, in Australia nov. 2012 : 250 réseaux HSPA+ débits offerts : jusqu’à 42 Mbits/s Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 88 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE 3.5G-HSPA Résumé ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Evolution des réseaux UMTS, partageant la même voie radio : F/TDMA, FDD commutation de paquets uniquement évolution significative des débits /UMTS, à un coût raisonnable > 1 milliards d’abonnés UMTS-HSPA Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques 2G-GSM 89 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier LTE (4G) Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 90 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE 4G-LTE Normalisation - Naissance ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Long Term Evolution LTE R8 finalisée en 2008. Normalisation SAE finalisée en 2009 par le 3GPP Respect du cahier des charges IMT-adv, Ouverture des réseaux commerciaux : 2009 : 2 réseaux Telia Sonera : Stockholm & Oslo (Ericsson) NTT Docomo : « Xi » (Cross i), déc. 2010 Verizon : Chicago, New York, San Francisco, Los Angeles, déc. 2010 Fin 2012 : 146 réseaux Oct. 2013 : 222 réseaux dans 83 pays France : ouverture 2013 Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques 2G-GSM 91 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Ouverture des réseaux Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 92 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA Marché ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier 4G-LTE 4G-LTE 1/ Juin 2013 : 456 opérateurs (134 pays) ont décidé à ce jour de déployer du LTE 126 millions d’abonnés (+350% sur 1 an!) 1064 mobiles 111 constructeurs Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE 4G-LTE 3/ ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Marché 93 Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 94 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE 4G-LTE Caractéristiques ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Bande de fréquences (licenciées) : 700-800 MHz 2,3 GHz 2,5-2,6 GHz Réutilisation des bandes des systèmes existants : 900 MHz, 1800 MHz, 2100 MHz Services offerts aux abonnés : données paquets uniquement débit maximal théorique offert à chaque abonné : 100 Mbits/s ↓, 50 Mbits/s ↑ Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE 4G-LTE 1/ ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Architecture 95 Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 96 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Architecture 2/ Puissance maximale d’émission des terminaux : 0.25 W (24 dBm) Réseau d’accès : eNodeB connectés, pas de contrôleurs Projet SAE (System Architecture Evolution) conçoit un réseau coeur évolué, tout IP : EPC (Evolved Packet Core) EPC / pour les données : Serving-GW : interconnexion avec les autres réseaux 3GPP et le RTCP PDN-GW : interconnexion avec internet Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 97 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE 4G-LTE Architecture ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier 3/ EPC / pour le contrôle : HSS : Home Subscriber Server : Base de données MME : Mobility Management Entity Gestion de la mobilité ⇒ HO, roaming, retransmisssion des paquets Paging Authentification en collaboration avec le HSS Selection des S-GW et P-GW Établissement de lien PCRF : Policy and Charging Rules Function : Gestion dynamique, pour chaque abonné : des sessions des informations de QoS pour la P-GW Politique de facturation de chaque paquet Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles relation avec le système de facturation de l’opérateur 98 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA Multiplexage des utilisateurs 1/ OFDMA : les émetteurs utilisent un panel de sousbandes radios, variable dynamiquement en fonction de la charge de la cellule et des conditions radios. ⇒ variante : SC-FDMA fréquences ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier flexibilité diversité fréquentielle 10 ms 180 kHz temps 0.5 ms Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 99 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA Multiplexage des utilisateurs ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier 4G-LTE 4G-LTE 4G-LTE 4G-LTE 2/ Largeurs de bande possibles Largeur de Bande Nb de sous-bandes disponibles 1,4 MHz 6 3 MHz 15 5 MHz 25 10 MHz 50 15 MHz 75 20 MHz 100 Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 100 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE 4G-LTE Duplexage ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier En LTE, deux types de duplexage possibles : FDD TDD > 40 bandes accessibles ! Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques 2G-GSM 101 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Bandes de fréquences déployées Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 102 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Bandes de Fréquences en France Bandes 7 et 20 uniquement ⇒ LTE FDD Bande 7, autour de 2.6 GHz : 2500 – 2570 MHz, 2620 – 2690 MHz écart duplex : 120 MHz Bouygues Telecom, SFR : 2 x 15 MHz. Free, Orange : 2 x 20 MHz. Bande 20, autour de 800 MHz : 832 – 862 MHz, 791 – 821 MHz écart duplex : - 41 MHz Bouygues Telecom, SFR, Orange : 2 x 10 MHz Accord d’itinérance entre Free et SFR. Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques 2G-GSM 103 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS Organisation Fréq. /Temp. 4G-LTE 4G-LTE 1/ Voie descendante fréquences Mode FDD 10 ms Voie montante ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier 3.5G-HSPA 0.5 ms Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles temps 104 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE 4G-LTE Organisation Fréq. /Temp. Mode TDD (plusieurs point de commutation ↑↓, dynamiquement positionnables, sont possibles dans chaque trame) Quatre slot par trame imposés pour ↓ fréquences ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier 2/ 10 ms temps 0.5 ms Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques 2G-GSM 105 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier LTE - Advanced Débit maximum réellement obtenu avec le LTE avec 300 Mbits/s ↓, 150 Mbits/s ↑ En 2008, l’ITU a spécifié les contraintes pour qu’une norme soit 4G (« IMT-advanced ») : Débit ↓ et ↑ de 100 Mbits/s à 1 Gbits/s! ⇒ LTE : ’3.9 G’ Objectifs : Déterminer une nouvelle norme véritablement 4G Evolutions du LTE : améliorer l’existant en assurant la compatibilité entre équipements LTE et LTE-Advanced bande passante : 100 MHz, par « carrier aggregation » introduction de relais Release 10 finalisée mi-2011. R11 et R12 à venir. Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 106 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier WiMAX 1/ Worldwide Interoperability for Microwave Access Normalisée : 4G-LTE 4G-LTE 802.16d (fixe, 2004) 802.16e (mobile, 2006) : Handover, QoS ↑, flexibilité de l’asymétrie etc … 802.16m (draft) [WiMAX 2]: débits offerts ++ (1Gbits/s, 100 Mbits/s) Bandes de fréquences (licenciées): 2,3 -2,7 GHz, 3,3-3,8 GHz, 5,8 GHz Caractéristiques : TDD, Multiplexage : OFDMA Portée : ~similaire à celle du LTE Débits : 63 (15) Mbits/s ↓, 28 (2) Mbits/s ↑ Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE 4G-LTE 2/ ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier WiMAX 107 Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 108 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier WiMAX 3/ Commutation de paquets uniquement (IP) : VoIP, etc Déploiement boucle locale radio en France dans les zones non desservies par l’ADSL national dans les pays « émergents » (Pakistan, Inde) > 580 réseaux, 150 pays, Abonnés : 4 millions d’abonnés en 2009, 13 millions en 2010, 25 millions fin 2011 France : qqs dizaines de milliers d’abonnés… Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques 2G-GSM 109 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Résumé LTE, LTE-Adv : l’avenir! Réseaux à commutation de paquets Débits offerts : Hard handover quasi-identiques à ceux des réseaux filaires adaptés aux contenus multimedia Terminaux de plus en plus variés : téléphones, clés USB, modules intégrables dans des équipements (navigateurs de voiture, etc) Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 110 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Conclusion Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques 2G-GSM 111 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Conclusion ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Débit offert ↑ ⇔ Largeur de bande ↑ Réseaux cellulaires GSM → LTE-Adv : Grand public ≠ réseaux professionnels PMR Déploiements actuels : UMTS : voix : circuit données, VoIP : paquets LTE : Paquets Caractéristiques : Débits offerts fonction des conditions radios (distance, interférences, etc), à partager entre les utilisateurs d’une cellule Handover national Roaming mondial Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 112 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Conclusion Challenges pour les acteurs télécoms : ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Renouvellement des réseaux Commoditisation Réseaux surchargés : Abonnés : voix data saturation du marché fidélisation Revenus →, Marges ↓ Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles Historique Caractéristiques 2G-GSM 113 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Conclusion ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier Marché mobile attendu dans 5 ans… 9,1 milliards d’abonnés 2 milliards d’abonnés LTE GSM en perte d’abonnés Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 114 Historique Caractéristiques 2G-GSM 2.5G-GPRS/EDGE 3G-UMTS 3.5G-HSPA 4G-LTE Références ISEP – Domaine Réseaux & Télécommunications – Emmanuelle Vivier X. Lagrange, P. Godlewski, S. Tabbane, "Réseaux GSM", Hermès – Lavoisier, 978-2-7462-0153-8 J.G.Remy, J.Cueugniet, C.Siben, "Systèmes de Radiocommunications avec les Mobiles", Eyrolles A. Goldsmith, "Wireless Communications", Cambridge University Press , 978-0-5218-3716-3 J. G. Proakis, "Digital Communications", Mc Graw-Hill, 978-0-0711-3814-5 H. Holma, A. Toskala, "WCDMA for UMTS", Wiley, 978-0-470-84467-1 www.3gpp.org www.gsa.com www.informatandm.com/about/wcis/ www.zdnet.fr/ , www.zdnet.fr/actualites/telecoms/ www.arcep.fr www.verizonwireless.com Nov. 2013 – Panorama des réseaux mobiles 115
