DOSSIER MTS : Aspects liés à l`architecture Mots

DOSSIER
Mots-clés :
UMTS,
Réseaux,
Architectures,
ATM.
MTS : Aspects liés à l'architecture
par Alain
Promis
en partie
des
G. MAUPIN,
à un bel
son
avenir,
l'UMTS
développement
constructeurs
solutions
Ericsson Radio Systems AB
de
devra
aux
choix
réutiliser les
existantes.
L'architecture UMTS, actuellement en cours de définition dans les instances de normalisation, continuation du réseau GSM, semble s'appuyer sur les
réseaux existants sans aucune rupture. Le succès
de l'UMTS dépendra des choix des constructeurs
quant à la réutilisation des réseaux actuels.
INTRODUCTION
Lorsque l'architecture GSM a été conçue, voilà bientôt
15 ans par les pères fondateurs du système, elle répondait
aux besoins d'offrir dans un cadre de mobilité européenne,
un service parole de bonne qualité. Il était alors essentiel de
s'appuyer sur les modes de télécommunications classiques
largement utilisés dans la téléphonie fixe et dont le succès
n'était, lui, pas à démontrer.
Depuis, deux phénomènes se sont produits à l'echelle
planétaire et secouent le monde des télécommunications
d'aujourd'hui
: l'explosion de la communication mobile
dont GSM est incontestablement le plus brillant exemple et
la vague de l'Internet qui innonde les foyers du monde
entier d'une abondance d'information et de services aussi
variés dans leur contenu que dans leur forme. Ce dernier
insuffle également l'élan necessaire aux Datacoms pour
atteindre les marchés de masse, et constituer la troisième
dimension dans ce vecteur d'évolution technologique. Sous
cette poussée et au gré des changements de comportements
liés aux nouvelles méthodes de travail basées sur l'usage
extensif d'Intranets, à la consommation, à l'éducation etc..
s'opère une convergence technologique : télécoms, datacoms, infocoms pour le bénéfice de tous et toutes. C'est
aux exigences de cette convergence que l'UMTS répond.
La technologie
seamlessly with existing GSM networks. The
success of UMTS will depend
on the degree to
which the network operators choose to re-use their
existing infrastructure.
The use of ATM technology provides the new
functionals (in particular variable data rates) and
the resilience needed for multimedia services with
their associated variable data rates and quality of
service demands.
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Cette modélisation s'articule autour d'une évolution du
réseau coeur GSM et d'une révolution du réseau radio
comme le montre la figure 1.
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N'7
Juillec
1999
les fonctionnalités
The UMTS architecture currently being specified by
the standards authorities is likely to integrate
L'ARCHITECTURE UMTS
D'un point de vue architecture, l'UMTS est modélisé
comme le décrit [1] suivant deux grands vecteurs : le premier décrit les aspects physiques et se regroupe en
domaines. Le second s'attache aux aspects fonctionnels et
se segmente en strates : strate de transport, strate d'application etc...
ATM apporte
(notamment les débits variables) et la robustesse
nécessaires aux services multimédia et leur suite de
débits variables et qualités de service.
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i mi : - 1. Modèle de référence GSM/UMTS.
Le réseau GSM-UMTS est constitué de trois parties : le
réseau coeur GSM UMTS, le réseau terrestre d'accès radio
UTRAN et optionellement de BSS GSM.
UMTS
L'architecture du réseau coeur
Le réseau coeur est hérité de l'architecture GSM et est
constitué d'une partie commutation de circuits (MSC) et
d'une partie commutation de paquets (SGSN). Bien entendu, les noeuds de signalisation, de gestion de la mobilité et
des services IN et services à valeur ajoutée HLR, AUC,
EIR, SCP, etc ont évolué pour intégrer les nouveautés de
l'UMTS. Il existe un grand nombre de scénarios décrits
dans [2] qui proposent l'évolution des noeuds de commutation afin de supporter les services UMTS. Parmi toutes les
solutions proposées, la plus prometteuse semble être celle
qui consiste à faire évoluer séparément (sur le plan logique
tout au moins) les domaines propres aux deux technologies
réseau dominantes que sont IP et ISDN. Cette solution est
schématisée par la figure 2.
: Aspects
liés à l'architecture
mobilité radio à l'intérieur de l'UTRAN. Une nouvelle identité nécessaire au routage et à l'identification dans le réseau
radio apparaît donc (Radio Network Temporary Identity).
L'architecture du réseau radio
Le réseau radio, lui, est constitué de RNCs (Radio
Network Controllers) et Noeuds Bs (station de base) qui
jouent un rôle proche des BSC (Base Station Controllers)
et BTS (Base Transceiver Stations) du GSM. Le terminal
communique avec le réseau utilisant la technologie WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) dans
la partie pairée du spectre (environnement intérieur/extérieur, couverture large pour des services de données haut
débit dans des conditions de mobilité variée) et TDCDMA (Time Division-CDMA)
dans sa partie non-pairée
(environnement intérieur, couverture réduite pour des services haut débit dans des conditions de mobilité restreinte).
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2. Séparation entre Domaines Circuit et Paquet.
Cette solution n'impose aucun lien entre les couches
réseaux (couche 3 du modèle OSI) et les couches transports (couches 1 et 2) qui peuvent évoluer séparément.
Cette solution permet également aux constructeurs d'offrir
l'intégration entre les deux réseaux coeurs aux niveaux 1 et
2, par une dorsale commune ATM, selon les particularités
de chaque opérateur. Cette dernière peut éventuellement
intégrer tout ou partie du réseau UTRAN.
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3. Scénario possible d'Intégration des domaines
Paquet et Circuit au niveau ATM.
La gestion de la mobilité
La gestion de la mobilité prend très largement en compte
les principes du GSM/GPRS afin de ne pas compromettre
l'itinérance entre les systèmes GSM et UMTS, aspect vital
du succès commercial de l'UMTS et réintroduit des principes
comme " Location Area " et " Routing Area ". La structure
fonctionnelle en strates de l'UMTS impose une gestion de
lub ub lub ub ub
lub
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------------------- -------------- ------------------------ ------4. Architecture du Réseau Radio UMTS (UTRAN).
Sur le plan architectural, plusieurs RNCs peuvent constituer un UTRAN et un UTRAN peut avoir plusieurs point
d'accès au réseau coeur (i.e. plusieurs interfaces lu).
La hiérarchie
héritée du GSM prend néanmoins
en
compte les nouvelles contraintes de l'UMTS
qui par
exemple permet de connecter simultanément un terminal à
un noeud de chaque domaine du réseau coeur et à multiplexer les flux signalisation
travers l'UTRAN.
sur une unique connexion à
Sur le plan fonctionnel, de nouvelles demandes apparaissent avec d'une part une nouvelle technologie
radio
(CDMA), une nouvelle technologie de transport (ATM) et
la co-ordination possible de deux points d'accès au réseau
coeur. Ces nouvelles fonctionnalités varient de la gestion
de la macro-diversité, la co-ordination du " paging " et des
clés de chiffrement,
les algorithmes d'admission et de
contrôle de congestion, à la synchronisation et l'alignement dans le temps.
L'interface lu : point claccès entre Réseau coeur
et Réseau radio
Le protocole de signalisation de l'interface lu est commun aux deux domaines du réseau coeur. Le support de
signalisation reste à confirmer par les instances de normalisation, mais le code 7 SCCP sur une couche transport
ATM est un choix très probable au moins dans la phase
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UMTS
pour un grand nombre de constructeurs
Il est clair que le fonctionnement et la maintenance vont
et opérateurs. Sur le plan des données utilisateurs, l'interface lu se termine dans le réseau coeur ISDN (MSC) sur
ATM et AAL2 pour la parole et les données en mode cir-
initiale de l'UMTS
évoluer en fonction des choix constructeurs et des besoins
liés aux opérateurs mais de nouvelles tendances pour l'installation du type plug and play, pour les noeuds auto-confi-
cuit alors quAAL5 est la solution retenue pour la connection lu vers le domaine IP (SGSN). Pour cette dernière
gurants avec de plus grandes capacités d'auto-gestion vont
certainement constituer les grandes lignes directrices d'un
effort de normalisation plus important comparé au GSM.
interface, le protocole exact de multiplexage des paquets
sur la couche AAL5 est une évolution du protocole "GPRS
Le réseau de transport
Tunnelling Protocol" (GTP) du GSM/GPRS.
Un élément important de l'architecture également débattu touche au transcodage de la parole vers le réseau fixe et
son codage PCM. Il existe actuellement deux écoles : l'une
en faveur de la migration des solutions propriétaires du
GSM relatives au contrôle des équipements de transcodage
et qui par conséquent conserve ces derniers dans le réseau
radio (sur un plan logique tout au moins) et une autre école
Comme mentionné précédemment, le transport à l'intérieur du réseau radio UMTS (UTRAN) ainsi que son interface d'accès avec le réseau coeur (lu) sont basés sur ATM,
AAL2 et AAL5 pour le point d'accès lu au réseau coeur IP.
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qui propose de s'affranchir de la solution hybride du GSM
et pousser le transcodage vers le réseau coeur afin de béné1or
ficier totalement d'économies de transmission et d'interfaces ouvertes. Cette dernière solution a été retenue par les
instances de normalisation.
L'Interface lur : connexion de
RNC à RNC
" -/
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Une nouvelle interface fait également son apparition
dans l'UTRAN, l'interface Iur. Cette interface résulte de la
macro diversité et du " soft hand-off'utilisé
avec la technologie CDMA. Comme pour l'interface lu, le support de
signalisation de cette interface reste à décider. Le code 7
SCCP est un candidat très probable également. La transmission repose sur AAL2.
Cette interface peut être commutée dans le réseau coeur
afin d'éviter l'interconnexion de tous les RNCs. Cela reste
néanmoins un choix constructeur.
L'interface
L'interface
lub : connexion de RNC à Noeud B
lub comparable à l'interface
Abis en GSM
transporte à la fois les données liées à la signalisation avec
les Noeuds Bs et les branches de trafic avec le terminal. A
la différence du GSM, plusieurs branches lub de communication peuvent être utilisées pour un même terminal, toutes
ces branches transportant la même information utilisateur.
Cette interface est proposée pour la standardisation et un
modèle logique de Noeud B a récemment été approuvé par
l'ETSI. Les instances de normalisation ont tranché pour
une couche support du protocole de contrôle de signalisation de cette interface basée sur " ATM User to Network
Interface " (SAAL-UNI).
La partie transmission, elle, repose sur AAL2.
La gestion du réseau
Le fonctionnement et la maintenance des équipements et
la supervision et la gestion de l'écoulement du trafic nécessitent l'introduction de nouvelles interfaces qui seront partiellement standardisées et partiellement propriétaires.
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5. Vue Générale du Transport UMTS.
L'utilisation d'ATM comme moyen de transmission est
motivée par un certain nombre d'avantages :
-
Des débits variables peuvent être utilisés à la fois pour
la commutation
de paquets mais aussi pour la parole
codée. Cela crée une économie au niveau du réseau, puisqu'il est possible d'atteindre des liens de transmission à
très grande capacité avec des délais courts.
- La technologie ATM répond également aux exigences
de qualité de services (QoS) qu'impose le multimédia.
Dans le cadre du multimédia, il est nécessaire de garantir
un certain nombre de caractéristiques techniques dont l'importance varie avec les services : par exemple, le délai
maximum de transmission est un élément clé pour la parole, alors que le taux d'erreur de transmission est déterminant pour la vidéo. ATM dans le contexte de l'UMTS permet de définir ces QoS suivant des critères applicatifs liés
soit au temps réel conversationnel (parole) ou temps réel
en flux (vidéo) ou encore " best effort " interactif (consultation du Web) et enfin " best effort " trafic d'arrière-plan
(transfert de courrier électronique).
Un des inconvénients avec la technologie CDMA et le
" soft handoff " est le besoin supplémentaire en capacité
pour les stations de base. Cela est dû au fait que le signal
d'un terminal mobile est reçu à plusieurs stations de base.
Des simulations montrent que de 15 à 40% de capacité de
transport additionnelle est nécessaire. Cependant en utilisant le facteur de réduction du silence de la parole pour un
UMTS
multiplexage dynamique des cellules AAL2, il est possible
de réduire de plus de 50% le coût de transmission pour le
service parole à l'intérieur du réseau radio.
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La migration de l'UMTS pour un système GSM existant
se fera probablement par le " co-siting " de station de base
GSM et UMTS (du moins pour les opérateurs GSM exis-
cellules ATM AAL2 peuvent être transportées sans perturber
le trafic GSM et sans introduire de délai, aspect critique pour
certaines applications UMTS comme la parole.
liés à l'architecture
ISIiP-----
Sur le plan du déploiement du réseau ATM, il existe plusieurs scénarios qui correspondent chacun à des besoins
différents d'opérateurs.
tants). En choisissant de fractionner le réseau SDH/PDH (i.e.
utiliser une fraction libre du lien El/Tl du réseau GSM), les
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8. Emulatioh de Circuit sur transport ATM.
La migration de BSS GSM
Cet aspectest très dépendant des choix faits par les constructeurs d'équipements, mais le succès commercial de l'UMTS
sera largement influencé par la réutilisation des solutions exis-
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tantes ou par leur flexibilité de migration et d'intégration.
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6. ATM fractionnel.
Un autre scénario de déploiement s'appuie sur l'utilisation
de systèmes de transport séparés pour GSM et UMTS.
Lorsque les ajouts décrits plus haut sont introduits dans les
noeuds MSC et GSN du réseau coeur, la terminaison de
l'UTRAN dans le réseau coeur se fait naturellement sur la
base d'ATM. L'intégration avec le réseau STM (Synchronous
Transmission Mode) du GSM est toujours possible au niveau
physique (PDH/SDH), comme il a été montré plus haut.
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7. Réseaux de Transport séparés entre GSM et UMTS.
Un troisième scénario de déploiement est l'émulation de
circuit basé sur AALI. Dans ce scénario, le système GSM utilise le système de transport de l'UMTS. Cela est réalisé sans
affecter les noeuds GSM. AALI
pourtant représente quelques
dégradations mineures en terme d' " overhead " etde délais.
CONCLUSIONS
L'architecture
UMTS est une continuation du GSM.
Cette architecture tire pleinement profit des réseaux existants sans rupture et offre la flexibilité nécessaire à l'introduction graduelle de nouvelles technologies au rythme de
leur maturation. Cela peut se faire sans remettre en question les fondements du réseau.
Cette architecture permet aux usagers UMTS à venir
d'accéder à la couverture globale du GSM avec le privilège de services de données hautement sophistiqués et un
service parole de grande qualité.
La séparation logique des domaines du réseau coeur permet de concentrer les efforts de développement de nouveaux
services sur base d'IP plutôt que de redéfinir l'existant.
La technologie ATM apporte les fonctionnalités et la
robustesse nécessaires aux services multimédia et leur
suite de débits variables et qualités de service.
Poursuivre l'évolution de l'architecture GSM présuppose
un déploiement commercial réussi de GPRS qui constitue le
fondement du domaine IP pour le réseau GSM/UMTS. Il est
donc essentiel d'appréhender dès aujourd'hui les besoins des
marchés en communication de données pour offrir en toute
sérénité les services UMTS de données haut débit de demain.
Références
[1] ETSIUMTS 23.01, General UMTS Architecture.40
[2] ETSIUMTS 23.20, Evolution of the GSM platform towards
UMTS.
[3] 3GPP UMTS 25.401 Version 1.0.2,
Architecture Description
UTRAN Overall
[4] ITU-T Droft TRG.2105.1.01, gignalling
AAL Type 2 Capability Set 1 (CS 1).
Requirements for
[5] ITU-T Draftnew ITU-TRecommendation0.2630.1
2 Signalling Protocol (Capability Set 1).
AAL Type
REE
N'7
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