Résumé des différentes techniques de radiocommunication pour les mobiles
Mars 2000
Ce document rappelle de façon très résumée les différentes techniques de téléphonie cellulaire en Europe en partant du système de deuxième génération GSM, et allant jusqu'au système de troisième génération l'UMTS.
Après l'explication de ces différentes techniques on rappellera les principales caractéristiques dans un récapitulatif.
Le GSM est le standard pour les communications numérique le plus répandu. Système de deuxième génération, il offre aux utilisateurs la téléphonie vocale, le fax et la transmission (modérée) de données. Il s'agit d'un système cellulaire fondé sur l'accès multiple réparti en temps (TDMA).
La commutation est réalisé en mode circuit, on a donc pour chaque abonné utilisant le réseau un canal dédié. Le débit maximum est de 9.6kbps.
Deux bandes de fréquence sont utilisées en Europe:
Pour chaque porteuse on a 8 intervalles de temps qui correspondent à 8 communications possibles.
La modulation utilisé est la GMSK (Gaussian Modulation Shift Keying), on a un symbole pour un bit.
Le transfert automatique intercellulaire effectué par le biais du mobile qui choisit la BTS de puissance la plus élevée est de type hard handover : par remontée des infos sur les puissance reçues et en fonction de la disponibilité, la BSC coupe le lien radio avec la BTS courante et établit la connexion avec la BTS choisie. On a donc coupure du lien radio pendant un bref laps de temps.
On utilise une diversité de fréquence en utilisant des sauts de fréquences lents. La gestion est effectuée au niveau de la BSC.
Les services de données disponibles sont :
Il s'agit d'une évolution mineure de la norme GSM qui permet un débit plus important par Time Slot. Premier pas vers des débits plus élevés : 14.4kbps, il est disponible techniquement depuis 1998 mais le gain de débit négligeable (amélioration peu perceptible par l'utilisateur) fait que cette technique est actuellement peu répandue.
Fonctionnement :
Dans la technique 14.4kbps on a donc un poinçonnage plus important, il y a alors moins de bits corrigeables et la qualité du lien radio doit être meilleure sinon la zone de couverture est réduite.
La technique ne semble intéressante que pour les opérateurs qui veulent proposer le HSCSD.
La technique HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) permet l'utilisation simultanée de plusieurs Time Slot dans la limite de quatre.
On atteint ainsi un débit maximum de 57.6kbps (4 x 14.4)
Cette technique est disponible depuis la fin du premier semestre 1999 mais elle est peu répandu chez les opérateurs car il y a trop peu de temps entre le HSCSD et GPRS
Il s'agit du passage à la génération '2,5' de téléphonie cellulaire mais c'est aussi la véritable évolution (plus que l'UMTS). Le GPRS (General Packet Radio System) fonctionne à la fois en mode circuit et en mode paquet.
La connexion orientée paquet permet une optimisation des ressources en créant des connexions 'virtuelles' permanentes, ce qui permet à plusieurs utilisateurs de partager le même canal. On élimine ainsi un important inconvénient du GSM qui bloque une ressource même si l'utilisateur n'envoie aucune donnée. Le médium n'est utilisé que pour la durée de temps où les données sont reçues ou envoyées.
Le GPRS est implanté sur le réseau GSM existant en utilisant les mêmes fréquences, les mêmes trames, seule l'architecture radio est modifiée sensiblement (cf. plus loin)
Quatre débits sont accessibles par Time Slot : CS-1 9.05kpbs, CS-2 13.4kbps, CS-3 15.6kbps, CS-4 21.4kbps. Les quatre débits se différencient par des niveaux de protection différents. On a donc un compromis entre débit et intégrité (pour CS-4 on a aucun codage convolutionnel pour protéger l'information).
La QoS est négociée appel par appel.
GPRS permet aussi l'utilisation simultanée de tout ou partie des Time Slot, on aboutit ainsi à un débit maximum théorique de 171kbps. En pratique on s'attend plutôt à une utilisation de 4 TS sur la voie descendante (56kbps) et 1 TS sur la voie montante (14.4kbps).
L'allocation de ressources peut être dissociée dans les deux sens car les débits sur les voies UL et DL seront, dans la pratique, différents.
La mise en parallèle des réseaux circuits et paquets implique deux principales modifications qui apparaissent après les BSC :
Fonctionnement :
On utilise les Time Slots libres (non utilisés pour des communications) pour y faire transiter des données. Par exemple si le réseau a un taux de congestion de 2%, on aura au moins un TS libre pour des données 98% du temps.
On a donc une gestion dynamique des TS afin d'utiliser en forte demande la totalité des TS de la cellule.
L'impact sur l'architecture réseau est :
Le GPRS sera disponible à partir du deuxième semestre 2000, et va être mis en place par la plupart des opérateurs car l'implémentation est rapide et flexible, le coût d'investissement faible.
Le développement du GPRS est très lié au développement des applications WAP qui constitueront l'interface avec le Web.
Le GPRS va aussi permettre aussi au niveau professionnel l'accès à des réseaux privés intranets. Cela peut être réalisé grâce à une technologie qui allie confidentialité et authentification : les VPN (Virtual Private Network) qui permettent de créer une sorte de tunnel à travers les réseaux radios et IP. Un utilisateur pourra donc accéder à la totalité de ses informations à partir de son mobile sans avoir à passer par un ISP. En utilisant le lien radio essentiellement pour faire transiter des informations, ces utilisateurs utiliseront une quantité importante de ressources.
L'un des buts de EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), est de permettre des hauts débits sans avoir besoin d'une licence 3G dont on sait qu'elle seront limitées. Cette technique intéresse donc particulièrement les nouveaux entrants sur le marché.
Il
s'agit d'une nouvelle modulation la PSK (Phase Shift Keying) :
On 8 états, la vitesse de modulation est la même que pour la GMSK mais permet un débit instantané trois fois plus élevé, chaque état de modulation transmettant l'information relative à trois bits. Etant donné que l'on a plus d'états on est aussi plus sensible au bruit ce qui est l'inconvénient de ce type de modulation.
Ajouté à cette modulation, EDGE réalise une
rotation de phase de 
d'un symbole à l'autre, on a donc 'virtuellement' 16
états accessibles.
La forme des burst ne change pas :
3 |
58 |
26 |
58 |
3 |
tail données apprentissage données tail
La séquence d'apprentissage est très importante car elle contient des déphasages différents pour EDGE et pour le GSM, et en analysant cette séquence le récepteur peut déterminer quelle modulation a été utilisée et les deux systèmes peuvent cohabiter.
Cette modulation permet donc de faire évoluer le GPRS vers le EGPRS.
EGPRS phase 1
On utilise 6 débits de PCS-1 à PCS-6 variant de 22.8kbps à 69.2 kbps par TS. Le débit maximum instantané est donc de 553kbps.
La modulation 8-PSK n'est utilisée que pour les PDTCH (Packet Data Trafic Channel).
Architecture du réseau :
Suivant les conditions radios, on protège plus ou moins l'information en choisissant parmi 9 schémas de modulations et de codages (5 pour la 8-PSK et 4 pour la GMSK) qui sont découpés en trois familles. C'est à l'intérieur de ces familles que l'on pourra avoir un changement dynamique du schéma en fonction de l'évolution de la qualité du lien radio.
EGPRS 136
Réutilisation des fréquence de 1/3 et allocation des CCH (Control Channel) de façon à éviter émission et réception en même temps dans des cellules adjacentes. Cela nécessite donc une synchronisation entre BTS et cela implique la création de groupes de temps (4 groupes).
On a alors une réutilisation effective de 4/12 :
EGPRS phase 2
La tendance est ici de migrer de plus en plus vers des connexions paquets y compris pour la téléphonie. On arrive alors à des applications de voix sur IP, et de transport point à point de données multimédia sur IP.
La deuxième phase de GPRS supportera tous les services temps réel, elle est aussi appelée RT-EGPRS (Real Time EGPRS).
Cette étape est très proche de l'UMTS, on a la même gestion dynamique de la qualité de service et la possibilité d'utiliser plusieurs services en parallèle (ex: voix + consultation Web).
Les évolution du EGPRS porteront surtout sur l'utilisation de différentes profondeurs d'entrelacement, et de nouveaux codages dont les turbo-codes.
Le W-CDMA ou Wide-CDMA est une l'application large bande de la technique d'accès multiple par répartition de codes (les utilisateurs se différencient par leur code d'étalement). Il est fortement pressenti comme technique d'accès multiple pour les systèmes de troisième génération.
Ses principaux avantages sont :
brouillage et
interception difficile,possibilité
de gérer un grand nombre d'abonnés, (8 à 10 fois plus
que pour TDMA / FDMA)Ses principaux inconvénients :
On peut définir un nombre maximum d'utilisateurs pour un rapport signal à bruit donné : le 'pole point'. Cette valeur dépend entre autre de la largeur de bande disponible et des interférences intra et inter-cellulaires.
On a aussi un changement important au niveau des interférences : dans un système standard, le signal désiré doit être au moins 18dB au dessus de tous bruits ou interférences, l'effet de cette observation est que l'on ne peut pas partager les mêmes portions du spectre dans des cellules adjacentes. Dans un système CDMA, les signaux peuvent être reçu malgré un haut niveau d'interférences. Dans les pires conditions, le signal peut être reçu avec la présence d'interférences 18dB au dessus du signal. Ainsi les mêmes fréquences peuvent être réutilisées dans des cellules adjacentes.
Système de troisième génération l'UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) devait théoriquement permettre différentes évolutions :
Actuellement, le système est en cours de normalisation, des problèmes apparaissent sur les bandes de fréquences disponibles, notamment aux USA. Le mode d'accès multiple choisit sera basé sur le W-CDMA même si certains organismes ont pensé à une évolution du TDMA.
L'UMTS devrait fournir des débits atteignant 2Mbps en indoor avec un débit chip de 3.84Mcps et des débits supérieurs entre 500kpbs et 1Mbps en outdoor.
Le principal inconvénient est l'importance des changements qu'il faudra apporter au réseau actuel. L'UMTS sera vraisemblablement déployé par plaques au dessus du réseau GSM pour des zones de forte demande. Il y aura alors des difficultés de roaming au moment de sortir de ces plaques
La bande alloué de fréquences va dans un premier temps aboutir à une attribution de 155MHz (terrestre) et 60MHz (satellites) en 2005 puis un rajout de 185MHz (terrestre) et 30MHz (satellite) en 2010. A l'ouverture du service chaque opérateur devra avoir un minimum de 2 x 20MHz attribué.
Recommandation Européenne pour l'attribution du spectre :
terrestre satellite terrestre terrestre satellite
TDD UL/DL |
FDD UL |
MSS UL |
TDD UL/DL |
FDD DL |
MSS DL |
1900 1920 1980 2010 2025 2110 2170 2200
On remarque deux types de spectre appairé (FDD) et non appairé (TDD). Il y a plusieurs scénarios pour l'utilisation du spectre non appairé :
Rq : le TDD implique un accès multiple mixte
(trame GSM + étalement), on doit alors savoir qui transmet et
quand, sous réserve d'avoir de gros problèmes d'interférences synchronisation inter
BTS (pas nécessaire en FDD)
L'UMTS gérera différentes qualités de services en parallèle et de façon dynamique, en utilisant un facteur d'étalement variable (entre 4 et 256). Les services à débits variables seront de type RT (Real Time Transparent) ou NRT (Non Real Time Transparent).
La signalisation devrait évoluer vers un système basé sur le protocole IP.
La modulation utilisé est de type QPSK, l'espacement entre porteuse de 5MHz en restant multiple de 200kHz pour pouvoir rester compatible avec le GSM. Les trames devrait comporter 15 slots et durer 10ms.
Un autre changement important est la gestion des handovers qui sera de type soft handover, le mobile déclenchant le transfert de connexion en deux étapes : connexion à une BTS de puissance plus élevée, puis une fois que la connexion est bien établie, séparation avec la BTS précédente.
Le fait que plusieurs BTS puissent gérer un même mobile va être utilisé pour utiliser une technique de macro diversité, on obtient ainsi un gain en stabilité :
Enfin au niveau de l'ingénierie plusieurs facteurs seront à prendre en compte :