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Copyright EFORT 2014 1 Evolution des Réseaux Mobiles vers la 4G EFORT http://ww

Copyright EFORT 2014 1 Evolution des Réseaux Mobiles vers la 4G EFORT http://www.efort.com Les réseaux des opérateurs mobiles ont été conçus initialement pour le trafic de la voix. Progressivement, la nature du trafic a évolué vers des services plus complexes de données tels que les SMS, l’accès Internet ou encore la télévision mobile. Les équipementiers ainsi que les opérateurs mobiles ont su accompagner cette évolution en introduisant de nouveaux types de modulations et de technologies d’accès et technologies de réseau. Cependant, l’évolution au cours de la dernière décennie est sans aucune commune mesure comparée au tsunami du besoin en bande passante déclenché notamment par la généralisation des abonnements data mobiles et notamment avec un usage de la vidéo streaming pour mobile depuis les smartphones. L’introduction de la 4G a donc été anticipé par les opérateurs afin de mieux contrôler cette évolution des usages dans un monde mobile tout IP. Le but de ce tutoriel est de présenter l’évolution des réseaux mobiles vers la 4G. 1 Structure générique d’un réseau mobile Un réseau mobile est constitué d ’un réseau d ’accès qui intégre une technologie radio qui assure la modulation du trafic de l ’usager et d ’un réseau cœur qui assure la mobilité de l ’usager (Figure 1). Le réseau d ’accès est relié au réseau cœur par un réseau de backhaul (réseau d ’amenée). Ce terme est utilisé dans les réseaux mobiles, pour désigner le réseau et les liens entre le cœur de réseau, et les contrôleurs d ’antennes de l ’accès mais aussi pour relier les contrôleurs d ’antennes et les antennes relais de la partie radio. Les liaisons du réseau d'amenée peuvent être en fibre optique, en cuivre ou supportées par des faisceaux hertziens. Figure 1 : Structure générique d’un réseau mobile 2 Réseau d’Accès Le réseau d ’accès assure la couverture de zones géographiques données appelées cellules et qui contiennent les matériels et logiciels nécessaires pour communiquer avec les stations mobiles (Figure 2). Le réseau d ’accès 2G est appelé BSS (Base Station Subsystem). Il est constitué de BTS (Base Transciever Station) et de BSC (Base Station Controller). Les BTS (Base Transceiver Station) sont des émetteurs-récepteurs ayant un minimum "d'intelligence ». Le BSC (Base Station Controller) contrôle un ensemble de BTS (une cinquantaine). Pour le trafic abonné venant des BTS, le BSC joue le rôle de concentrateur. Pour le trafic venant du réseau coeur, il joue le rôle d’aiguilleur vers la BTS dont dépend le destinataire. Réseau d ’Accès Réseau cœur Réseau Backhaul Copyright EFORT 2014 2 Le réseau d ’accès 3G est appelé UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). Il est constitué de NodeB et de RNC (Radio Network Controller). Le Node B est équivalent à la BTS du réseau d ’accès 2G. Un RNC contrôle d ’une centaine de NodeB. Il est l ’équivalent du BSC du réseau d ’accès 2G. Le réseau d ’accès 4G est appelé LTE (Long Term Evolution of 3G) ou eUTRAN (Evolved UTRAN). Il ne comporte qu ’un seul type d ’entité, l ’ eNodeB. Un eNodeB est fonctionnellement équivalent à un NodeB et un RNC. D ’ailleurs certains fournisseurs (e.g., NSN) proposent les fonctions NodeB/RNC combinées dans le même équipement pour la mise en œuvre du réseau d ’accès 3G. Figure 2 :Réseau d ‘accès 3 Réseau Cœur Le réseau coeur 2G/3G consiste en deux domaines : Domaine circuit et domaine paquet. Le domaine circuit offre des services de téléphonie. Au départ constitué de commutateurs voix, il a évolué vers une structure NGN Mobile appelée R4. Le domaine paquet appelé GPRS (General Packet Radio Service) offre un accès plus (3G) ou moins (2G) haut débit au monde IP et à ses services. Le réseau cœur paquet GPRS est constitué de commutateurs de paquets et sert à transférer les paquets émis depuis des accès 2G ou 3G vers l ’Internet et les Intranets d ’entreprise. Par ailleurs ce réseau sert à remettre au mobile des paquets émis par l ’Internet ou par les Intranets. La 4G fait apparaître un nouveau réseau cœur pour les services de données et services conversationnels appelé ePC (Evolved Packet Core). Il est parfaois appelé SAE (System Architecture Evolution). Les services conversationnels (téléphonie) seront offerts par la plate- forme de service d’opérateur IMS (IP Multimedia Subsystem) à la différence d’aujourd’hui où il y a un réseau cœur dédié pour offrir ces services. LTE + ePC = EPS (Evolved Packet System). BTS Node B eNodeB Réseau d ’accès 2G BSC RNC Réseau d ’accès 3G Réseau d ’accès 4G Réseau IP/GE Réseaux Coeur BSS UTRAN LTE/ eUTRAN Copyright EFORT 2014 3 Le trafic entre le réseau d ’accès et le réseau cœur est transporté via un backbone IP sur Gigabit Ethernet (GE). La figure 3 montre les différents réseaux cœur mobiles. Figure 3 : Réseau cœur Le réseau ePC a été conçu pour être un réseau cœur convergent afin de permettre la mobilité dés paquets IP de l ’UE (avec souscription 4G) quelque soit la technologie radio mobile utilisée (2G, 3G, 3G+, 4G, et même WiFi) (Figure 4). En effet, l’interfonctionnement entre WLAN (accès non 3GPP) au réseau cœur paquet 4G appelé Evolved Packet Core (ePC) a été complètement spécifié. L’offload du trafic de l’accès mobile à WiFi en est une des principales raisons. L’offload vise à décharger une partie du trafic de données des utilisateurs du réseau mobile de l’opérateur sur un réseau filaire via les cellules WiFi. Ce détournement du signal vise à répondre à la demande exponentiellement croissante de consommation de l’Internet mobile. Par ailleurs cette solution permet l’authentification par l’opérateur mobile du client WiFi qui permet à ce dernier d’accéder à ses services mobiles depuis l’accès WiFi (TV mobile, MMS, voix sur IP avec IMS, RCS, etc.). Enfin la gestion de la mobilité 4G/WiFi est prise en compte ce qui permet au client de conserver son adresse IP et donc ses sessions de données en changeant de technologie d’accès. 3G (UTRAN) 4G (LTE puis LTE-Advanced) ou eUTRAN Réseau cœur circuit 2G/3G = R4 Réseau IP/GE Réseau IP/GE Internet, Intranets IMS, etc. Réseaux mobiles= Réseaux d ’accès + Réseaux cœur Réseaux IP 2G (BSS) Réseau d ’accès Réseau cœur paquet 2G/3G = GPRS Réseau cœur paquet 4G = ePC ou SAE EPS Réseau coeur Copyright EFORT 2014 4 Figure 4 : Réseau ePC : Réseau cœur paquet convergent 4 Services IP La tendance des opérateurs est d’offrir au client un accès large bande associé à un bundle de services incluant la téléphonie sur IP et la télévision sur IP (télévision broadcast et vidéo à la demande). Ceci devient possible à la fois sur le fixe et le mobile. Les accès large bande fixes sont FTTx, xDSL, le câble, WiMAX alors que les accès large bande mobiles sont HSPA, HSPA+ (3G+), EPS (4G), et EVDO (Evolution Data Only) tels que montrés à la figure 5. Le même réseau IP connecte l’ensemble des accès large bande et fournit des architectures de service IP. IMS (IP Multimedia Subsystem) est une architecture de service normalisée capable de fournir des services multimedia (IP TV, téléphonie sur IP, présence, conférence, Rich Communication Suite, IP Centrex, messagerie, etc.) à tout client large bande. Indépendamment de l’architecture de service de l’opérateur de service, le client peut accéder à tout service sur Internet (Web, mail, transfert de fichier, streaming, téléphonie sur Internet, etc.) Accès Réseau ePC Réseau IP IMS 2G 3G 4G WLAN Accès non-3GPP Copyright EFORT 2014 5 Figure 5 : Architecture de service sur IP et accés large bande 5 Policy and Charging Control pour la data mobile Les opérateurs mobiles ont besoin de contrôler l ’usage par leurs clients de la data mobile afin de limiter les clients les plus consommateurs (fair use), afin d ’accepter ou de refuser / dégrader des flux IP (e.g., dégrader le flux skype). Par ailleurs l ’opérateur doit proposer de la QoS pour les services IP de l ’opérateur (e.g., Voix sur IP, Mobile TV), etc. La notion de “ Policy control ” est liée aux fonctions d’autorisation/blocage et de QoS des flux IP. La notion de “ charging control ” est relative à la taxation des flux IP. L ’architecture qui met en œuvre ces contrôles s ’appelle PCC (Policy and Charging Control) décrite à la figure 6. Les réseaux de données mobiles fonctionnent en mode connecté. L’usager établit une connectivité de bout en bout entre l ’UE et le nœud qui termine l ’accès (GGSN en 2G/3G et PDN GW en 4G) pour émettre/recevoir des paquets IP. Cette connectivité s ’appelle un contexte PDP (2G/3G) ou un bearer (4G). Le but des opérateurs est d’être capable sur le contexte PDP/bearer : d’identifier les flux IP qui sont transportés sur le contexte PDP; en effet, chaque flux doit être caractérisé afin d ’appliquer sur ce flux des rgles PCC. d’autoriser ou bloquer ces flux IP (e.g., dans l ’offre myFriends d ’Orange France, les seuls flux autorisés sont Fecebook et Twitter; tout autre flux doit être bloqué) d‘offrir à chaque flux une uploads/Ingenierie_Lourd/ evolution-mobile-efort.pdf