Etudes de la gestion de mobilite en lte et son interoperabilite avec umts et wimax

La demande des utilisateurs réseaux mobile ne cesse de s’accroitre pour l’amélioration de services offerts par les nouvelles générations mobiles et les défis sont relevés par les opérateurs pour permettre la meilleure expérience utilisateur possible. Une des principales préoccupations est donc de pouvoir permettre aux utilisateurs de se déplacer dans une zone couverte par des technologies différentes sans dégradation considérable de la qualité des communications. La gestion de la mobilité des utilisateurs est donc un point crucial à ne pas négliger pour garantir une meilleure qualité de services.

Plusieurs générations mobiles ont apparu avec pour chaque émergence une suscitation à de meilleures performances plus que la précédente, la norme LTE ou Long Term Evolution fait son objet d’étude au début des années 2000 et constitue à présent la norme de quatrième génération mobile. Cette nouvelle norme promet une évolution à long terme de la génération précédente, mais outre que la garantit de débits élevé, elle doit aussi permettre une meilleure qualité de services offerts basés sur diverses techniques comme la gestion de mobilité des utilisateurs en déplacement, que ce soit dans des réseaux de même technologie au système d’accès LTE ou dans des réseaux d’accès hétérogènes.

LA TECHNOLOGIE LTE 

Conçues à l’origine pour offrir un service de téléphonie mobile uniquement, les technologies de communications radio mobiles ont considérablement évolué depuis et permettent désormais une connexion haut-débit et en situation de mobilité. L’histoire des réseaux mobiles est jalonnée par trois étapes principales, auxquelles on donne couramment le nom de génération. On parle des première, deuxième et troisième générations de réseaux mobiles, généralement abrégées respectivement en 1G, 2G et 3G. Ces trois générations diffèrent principalement par les techniques mises en œuvre pour accéder à la ressource radio. L’avènement de la quatrième génération mobile est suscité par la détermination de combler les failles perçus dans ces différentes générations mais aussi d’apporter une amélioration adaptée avec les différentes techniques émergentes.

Les évolutions des générations mobiles 

La première génération mobile

La première génération de réseaux mobiles émerge au cours des années 1980 et est caractérisée par une multitude de technologies introduites en parallèle à travers le monde : AMPS (Advanced Mobile Phone System) aux États-Unis, TACS (Total Access Communication System) au Japon et au Royaume-Uni, NMT (Nordic Mobile Telephone) dans les pays scandinaves, Radiocom2000 en France et C-NETZ en Allemagne. [1] Ces systèmes devaient offrir un service de téléphonie en mobilité mais ne parvinrent pas à réellement franchir les frontières des pays d’origine et il n’existait pas de véritable norme internationale parmi eux. D’un point de vue technique, ces systèmes étaient basés sur un codage et une modulation de type analogique et utilisaient une technique d’accès multiples appelée FDMA (Frequency Division Multiple Access), associant une fréquence à un utilisateur. La limite de la première génération mobile réside en la faible capacité offerte par le système ainsi qu’aux coûts élevés des terminaux et des tarifs, ce qui restreint son utilisation à un très faible nombre d’utilisateurs. La 1G est tout un système de téléphonie commuté connu sous l’appellation de RTC ou Réseau de Téléphonie Commuté. Par ailleurs, les dimensions importantes des terminaux limitaient significativement leur portabilité.

La seconde génération mobile

Le réseau GSM
Le réseau GSM ou Global System for Mobile a pour premier rôle de permettre des communications entre abonnés mobiles (GSM) et abonnés du réseau téléphonique commuté (RTC réseau fixe). Il se distingue par un accès spécifique appelé « la liaison radio ». Les systèmes 2G ont pour principal point commun d’être basés sur des codages et des modulations de type numérique, l’introduction du numérique dans les technologies radio mobiles fut l’élément qui a permis le net accroissement de la capacité des réseaux. Le GSM est basé sur une répartition en fréquences FDMA entre les cellules, combinée à une répartition en temps sur la cellule, appelée TDMA (Time Division Multiple Access). D’autre part, les voies montante et descendante sont séparées en fréquence (mode FDD ou Frequency Division Duplex). Ces techniques ont augmenté largement l’efficacité spectrale des systèmes, c’est-à-dire le débit pouvant être écoulé par Hertz par cellule.

L’architecture du réseau GSM est constituée par les éléments suivants :

a. Sous-système radio ou BSS
Le BSS pour Base Station Sub-system est un sous-système de l’architecture GSM qui assure les transmissions radioélectriques et gère la ressource radio. Le BSS comprend les BTS (Base Transceiver Station) qui sont des émetteurs-récepteurs ayant un minimum d’intelligence et les BSC (Base Station Controller) qui contrôlent un ensemble de BTS.
b. Sous-système d’acheminement ou NSS
NSS ou Network Sub-System a pour rôle d’assurer les fonctions de commutations et de routage. C’est donc lui qui permet l’accès au réseau public RTCP (Réseau Téléphonique Commuté Public) ou RNIS (Réseau Numérique à Intégration de services). En plus des fonctions indispensables de commutation, on y retrouve les fonctions de gestion de la mobilité, de la sécurité et de la confidentialité qui sont implantées dans la norme GSM.

Le sous-système d’acheminement ou NSS se compose de plusieurs équipements :
– Le HLR ou Home Localisation Register qui est une base de données qui conserve des données statiques sur l’abonné et qui administre des données dynamiques sur son comportement.
– Le VLR ou Visitor Localisation Register est une base de données associée à un commutateur MSC ayant pour mission d’enregistrer des informations dynamiques relatives aux abonnés de passage dans le réseau, ainsi l’opérateur peut savoir à tout instant dans quelle cellule se trouve chacun de ses abonnés.
– Le MSC ou Mobile Switching Center est un commutateur de mobiles généralement associé aux bases de données VLR, il assure une interconnexion entre le réseau mobile et le réseau fixe public, gère l’établissement des communications entre un mobile et un autre MSC, en connexion avec le VLR le MSC contribue à la gestion de la mobilité des abonnés.
– L’AUC ou AUnthentification Center mémorise pour chaque abonné une clé secrète utilisée pour authentifier les demandes de services et pour chiffrer (crypter) les communications.
– Le SMSC ou Short Message Service Center permet de gérer le transfert de messages SMS (Short Message Service, textes ou binaires) entre téléphones mobiles.

Les systèmes 2G présentent toutefois plusieurs limites ; la plus importante est d’ordre capacitaire, entrainant des rejets d’appels aux heures les plus chargées de la journée malgré la densification des réseaux et certaines sont d’ordre fonctionnel. À ses débuts, le GSM utilisait un réseau cœur à commutation de circuit par lequel l’accès aux services de données était particulièrement lent. Afin d’accroître les débits fournis, le réseau d’accès GSM fut connecté à un réseau cœur appelé GPRS (General Packet Radio Service).

Le réseau GPRS

La mise en place d’un réseau GPRS (General Packet Radio Service) a permis aux opérateurs de proposer de nouveaux services de type « Data » à ses clients. Le réseau GPRS vient ajouter un certain nombre de « modules » sur le réseau GSM sans changer le réseau existant.[2] Le réseau GPRS est un réseau IP, donc constitué de routeurs IP. L’introduction de la mobilité nécessite par ailleurs la précision de deux nouvelles entités dans le réseau, à savoir :
– Le nœud de service SGSN (Serving GPRS Support Node) relié au BSS et en connexion avec les éléments du GSM assurant les transmissions radio. C’est le contrôleur des terminaux dans le GPRS.
– Le nœud de passerelle GGSN (Gateway GPRS Support Node) relié à un ou plusieurs réseaux de données (Internet, autre réseau GPRS…). C’est un routeur qui permet de gérer les transmissions de paquets de données.

La troisième Génération mobile

La norme UMTS
Les innovations associées au système UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) ont principalement trait au réseau d’accès, celui-ci s’interfaçant avec le réseau cœur GPRS. Les objectifs de l’UMTS étaient d’accroître la capacité du système pour le service voix mais surtout d’améliorer le support des services de données. Une amélioration dans l’architecture du réseau de génération précédente au niveau de la partie radio a été apportée pour la mise en place de la norme UMTS. Des composants ont été introduits dans la nouvelle génération mobile.

Les évolutions HSPA ou 3G+
La volonté apparut d’effacer les limites de la Release 99 en matière de débits. Les évolutions HSPA connues commercialement sous le nom de 3G+, furent introduites:
• HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) pour la voie descendante ;
• HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) pour la voie montante.

L’innovation principale du HSPA concerne le passage d’une commutation circuit sur l’interface radio, où des ressources radio sont réservées à chaque UE pendant la durée de l’appel, à une commutation par paquets, où la station de base décide dynamiquement du partage des ressources entre les UE actifs. . L’allocation dynamique des ressources est effectuée par la fonction d’ordonnancement ou « scheduling ». La modulation et le codage sont rendus adaptatifs afin de s’adapter aux conditions radio de l’UE au moment où il est servi, les débits instantanés étant accrus via l’utilisation de modulations à plus grand nombre d’états.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : LA TECHNOLOGIE LTE
1.1 Introduction
1.2 Les évolutions des générations mobiles
1.2.1. La première génération mobile
1.2.2. La seconde génération mobile
1.2.3. La troisième Génération mobile
1.3. La technologie LTE
1.3.1. Les exigences de la norme LTE
1.3.2. Architecture du réseau LTE/EPC
1.4. L’interface radio du système LTE
1.4.1. La couche niveau 1 ou couche physique
1.4.2. La couche niveau 2 (PDCP, RLC er MAC)
1.4.3. La couche RRC
1.4.4. Architecture de l’interface radio
1.5. Structure de trame en LTE
1.5. Ressources dans LTE
1.6. Conclusion
CHAPITRE 2 : LA GESTION DE MOBILITE LTE
2.1. Introduction
2 .2. Le mécanisme de handover
2.2.1. Les différents types de handover
2.2.2. Les différentes phases du handover
2.2.3. Performance du handover
2.3. Les différents mécanismes de gestion de mobilité LTE
2.3.1. La Mobilité IP
2.3.2. Media Independent Handover
2.3.3. Session Initiation Protocol
2.4. Procédure d’accès aléatoire en LTE
2.5. La signalisation
2.5.1. La connexion RRC
2.5.2. Notions de bearers
2.5.3. Notion da pagination
2.5.4. Les protocoles de signalisation NAS
2.6. Conclusion
CHAPITRE 3 : INTEROPERABILITE DU RESEAU LTE AVEC LES AUTRES SYSTEMES
3.1. Introduction
3.2. Le réseau IMS
3.2.1. Architecture du réseau IMS
3.2.2. Les principaux composants du réseau IMS
3.2.3. Les protocoles dans IMS
3.2.4. IMS Centralised Services ou ICS
3.3. Interopérabilité entre LTE et la norme UMTS
3.3.1. Voice over LTE
3.3.2. L’établissement d’appel téléphonique
3.3.3. Procédure de transfert d’appel voix LTE-IMS vers le domaine CS
3.3.4. Inter-RAT handover entre LTE et UMTS
3.3.5. Mécanisme de Direct Forwarding et de Direct Tunnel
3.4. Interopérabilité avec les systèmes non-3GPP (Wimax mobile)
3.4.1. La technologie Wimax
3.4.2. Architecture d’interconnexion entre LTE et le réseau Wimax
3.4.3. Adaptation de protocole : Utilisation du protocole Dual Stack MIPv6
3.4.4. La fonction ASDNF (Access Network Discovery and Selection Function)
3.4.5. Procédure d’attachement DSMIPv6
3.4.6. Procédure de détachement DSMIPv6
3.4.7. Le handover DSMIPv6
3.5. Conclusion
CHAPITRE 4 : SIMULATION
4.1. Introduction
4.2. Le Simulateur NS3
4.2.1. Choix du simulateur
4.2.2. Le simulateur NS3
4.2.3. Le langage C++
4.2.4. Le langage Python
4.3. Architecture de simulation
4.4. Scénario de simulation
4.5. Configurations des nœuds et édition des sripts
4.5.1. Création des nœuds
4.5.2. Configuration de la partie cœur
4.5.3. Configuration du domaine d’accès
4.5.3. Configuration du routage
4.6. Lancement de la simulation
4.7. Lancement de la visualisation
4.8. Résultat de la simulation
4.9. Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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