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Les réseaux cellulaires de troisième génération

La troisième génération de mobiles qui succédera aux réseaux cellulaires GSM aura plusieurs visages selon les continents. Gros plan sur la technologie radio qui sera en vigueur sur le Vieux Continent et au Japon : le W-CDMA (Wideband code division multiple access).

Les premiers îlots UMTS ne respectent pas encore la totalité des spécifications du W-CDMA. Quant aux terminaux de 3G, ils sont prévus en volume pour le dernier trimestre 2002.
Le succès incontesté de la téléphonie mobile a bouleversé la donne du marché des télécommunications. Selon le cabinet Analysys, le marché de la téléphonie vocale devrait progresser de 90 % entre 1999 et 2005, pour atteindre 400 milliards de dollars, avec une perspective de 510 milliards en 2010. Ce cabinet prédit que, en 2005, 16 % des appels transiteront par les réseaux cellulaires, contre 5 % aujourd'hui. Le marché des données passant par les réseaux cellulaires, d'une valeur de 1 milliard de dollars, devrait, quant à lui, passer à 110 milliards d'ici à 2010. En France, et selon l'ART, le parc de radiotéléphones a franchi le cap des 33 millions de clients au 30 juin 2001, ce qui porte à 55,1 % le taux d'équipement de la population. Il y a encore un an, ce taux s'élevait à 40,1 %, soit un gain de 8,82 millions de clients.
Si les réseaux cellulaires numériques de type deuxième génération ?" à l'instar du GSM ?" ont parfaitement réussi leur tâche pour les communications voix, le débit nominal limité à 9 600 bits/s (en France) restreint considérablement l'utilisation de cette technologie pour le transfert des données.
Or, aujourd'hui, un mobile ne sert plus uniquement à téléphoner, il doit permettre de surfer sur le Net ou de récupérer son courrier électronique. Les systèmes de troisième génération doivent offrir des services multimédias et des connexions hauts débits à Internet.
Il n'existe pas un, mais plusieurs systèmes de troisième génération. Parmi ceux-ci, l'UMTS (Universal mobile telecommunications system) représente le cadre européen de l'UIT IMT-2000. Le W-CDMA en est la principale interface radio (air). Il a été choisi en janvier 1998 par l'Etsi (European Telecommunications Standards Institute).
C'est le 3GPP (Third Generation Partnership Project) qui a eu en charge la rédaction de ses spécifications. D'autres interfaces "air" existent pour fournir des services de 3G, à l'instar du CDMA à multiples porteuses (cdma2000).
Au sein du 3GPP, le W-CDMA est appelé Utra (Universal terrestrial radio access) dont les deux composantes recouvrent deux modes de multiplexage : le FDD (Frequency division duplex) et le TDD (Time division duplex). Ce sont respectivement des modes de multiplexage fréquentiel et temporel. Le mode FDD est le plus utilisé pour les réseaux cellulaires. À chaque sens de communication (voie montante et voie descendante) correspond une fréquence particulière. Généralement, on attribue la même quantité de spectre aux deux sens de communication.

Un spectre radio sous-utilisé

Le mode FDD est parfaitement adapté à tous les débits symétriques, comme la téléphonie. En revanche, pour les applications asymétriques, comme une requête HTTP sur Internet (léger trafic en lien montant, et gros trafic en voie descendante), ce multiplexage n'est pas optimal. Ajoutons dans la catégorie des inconvénients que le FDD nécessite un écart duplex pour séparer les étages de transmission et de réception radio. Cet écart obligatoire, appelé bande de garde, entraîne une sous-utilisation du spectre radio.
Le mode de multiplexage TDD est plus adapté aux débits asymétriques. Il requiert une seule fréquence, utilisée de manière alternative pour les deux sens de communication. Lorsque le spectre est limité, ce type de multiplexage est donc plus intéressant. Pourquoi alors le mode FDD a-t-il bénéficié de plus de soutien de la part des différents groupes de travail du 3GPP ? " Tout simplement parce que le mode FDD répond plus à une problématique de couverture extérieure (outdoor) qu'à une problématique de couverture intérieure (indoor), explique Rémi de Montgolfier, ingénieur systèmes UMTS chez Nokia Networks France. La distinction est donc plus d'ordre géographique. "
Cette interface radio sera employée tant en Europe qu'en Asie (Japon et Corée inclus). Elle se situe autour de la bande de fréquences des 2 GHz, aussi bien pour les réseaux terrestres que pour les réseaux satellites. Plus précisément, le comité Warc (World Administrative Radio Conference) de l'UIT a décidé, et ce, dès 1992, de réserver 230 MHz de spectre à l'usage de l'IMT-2000. Cette bande d'accueil se décompose de la manière suivante : 1 885-2 025 MHz pour la première bande, et 2 110-2 200 MHz pour la seconde. Une autre bande de 150 MHz de spectre, également répartis en deux bandes, a été réservée aux systèmes de communication par satellite. En sus des 230 MHz réservés initialement, trois bandes supplémentaires ont été accordées à la suite d'une réunion en juin 2000 : 860-960 MHz, 1 710-1 885 MHz, et 2 500-2 690 MHz.
Ajoutons qu'en Europe le comité radio du CEPT (Conférence européenne des postes et télécommunications) a identifié en juin 1997 une bande c?"ur pour les systèmes cellulaires de 3G, à savoir 155 MHz pour la partie terrestre (les 170 MHz identifiés par l'UIT moins 15 MHz utilisés par le Dect), et 60 MHz pour la composante satellite.
En Europe et pour une grande partie de l'Asie, les bandes de fréquences de l'IMT-2000 d'une largeur de 60 MHz (1 920-1 980 MHz et 2 110-2 170 MHz) seront disponibles pour le W-CDMA FDD. En revanche, le spectre variera pour le TDD. En Europe, 35 MHz seront réservés pour les licences TDD dans les bandes 1 900-1 920 MHz et 2 010-2 025 MHz, sachant que la bande de fréquences 2 010-2 020 MHz est réservée pour les applications ne nécessitant pas de licences. Notons au passage que le spectre TDD n'est pas disponible immédiatement pour tous les pays. C'est notamment le cas au Japon et en France, où il faudrait libérer des fréquences militaires. " Seule l'Europe a réservé explicitement des bandes de fréquences pour le mode TDD ", souligne Abdelkrim Benamar, responsable des relations extérieures chez Ericsson France.

Six interfaces dans le monde

Si, au départ, on avait imaginé une seule interface air pour simplifier les choses, pas moins de six ont finalement été définies au niveau mondial. Une diversité qui vient du fait que la première phase de normalisation des systèmes de troisième génération ne s'est pas réalisée sur le plan mondial, mais continent par continent, et, dans certains cas de figure, pays par pays. Sont avalisées quatre interfaces de type CDMA : le W-CDMA (ou Utra FDD) nippo-européen ?" rebaptisé IMT-DS (Direct spread, ou étalement direct) ?" ; le cdma2000 à porteuses multiples, d'origine américaine (rebaptisé IMT-MC) ; ainsi que le TD-CDMA (ou Utra TDD), européen ; et le TD-SCDMA, chinois, tous deux regroupés sous le label IMT-TC. L'interface UWC-136 (IMT-FT à porteuse unique) et le Dect (IMT-SC fréquence temps) complètent la panoplie.
Aucun terminal, pour des questions de coût notamment, ne supportera la totalité des interfaces de l'IMT-2000. Si vous caressiez l'idée de n'avoir qu'un seul terminal cellulaire 3G n'importe où dans le monde, vous pouvez l'oublier. De même, les opérateurs, qui ont déjà payé très cher les licences, offriront des îlots de couverture UMTS.

Quatre classes de services

Si la majorité des propositions ont tourné autour du CDMA, cette technique offre une planification cellulaire beaucoup plus simple que celle de type FDMA ou TDMA.
Grâce à l'UMTS, les utilisateurs pourront obtenir des services multimédias et une connexion à Internet à hauts débits. S'il est trop tôt pour indiquer quelle sera l'application qui tue, notons simplement que quatre classes de services ont été définies dans le cadre de l'UMTS. Elles se répartissent en deux groupes : les classes A (conversational) et B (streaming), pour les applications ayant des contraintes de temps réel ; et les classes C (interactive) et D (background), pour les applications sensibles aux erreurs de transmission.
En ce qui concerne le débit, il convient de ne pas opérer les mêmes erreurs qu'avec le GPRS où le débit théorique et le débit constaté lors de transmissions réelles sont vraiment trop éloignés. En mode circuit, on dispose de 64 kbit/s. En mode paquet, le débit offert sera de 144 kbit/s en environnement rural, de 384 kbit/s en environnement urbain, et de 2 Mbit/s pour les communications à l'intérieur d'un bâtiment (faibles distances et mobilité réduite). L'usager devra être immobile et proche de l'antenne d'émission de la cellule dans laquelle il se trouve. Dans un premier temps, il faudra s'attendre à 384 kbit/s "seulement", ce qui devrait suffire pour nombre de besoins. Des incertitudes importantes pèsent encore à la fois sur le coût des futurs services proposés par les opérateurs et sur la date de disponibilité des terminaux de troisième génération en volume. Certains modèles devraient toutefois être en test au troisième trimestre 2002, et en volume au cours du dernier trimestre 2002. Plusieurs miniréseaux UMTS sont déjà déployés. Toutefois, certains, à l'instar de celui de BT Wireless réalisé sur l'île de Man et mis en place par Nec et Siemens, ne respectent pas le W-CDMA du 3GPP, au dire de plusieurs équipementiers que nous avons interrogés. C'est la même chose pour les réseaux UMTS de Monaco et du Japon.
L'architecture d'un réseau UMTS peut être découpée en deux parties principales. La première correspond au réseau d'accès Utran, qui supporte toutes les fonctionnalités radio ; la seconde, au réseau c?"ur (CN, Core network), chargé de la commutation et du routage des communications voix-données vers les réseaux externes. Le terminal utilisateur (UE, User equipment), qui se situe entre l'utilisateur à proprement parler et le réseau d'accès radio, complète le système. Ajoutons, pour terminer, les réseaux externes auxquels est relié le réseau c?"ur tel que le RTCP ou Internet. Le terminal utilisateur est composé de deux parties. Le terminal mobile appelé ME (Mobile equipment) correspond au terminal radio utilisé pour les communications sur l'interface Uu. La carte Usim (UMTS subscriber identity module) est une carte à puce où sont stockés les éléments suivants : identité de l'abonné, algorithmes et clés d'authentification, clés de chiffrement, ainsi que certaines données relatives à l'abonnement de l'utilisateur nécessaires au niveau du terminal.

Le réseau d'accès radio et le contrôleur de réseau radio, au c?"ur de l'UMTS

Le réseau d'accès radio Utran comporte deux éléments : le Node B et le RNC (Radio network controller). Le Node B a pour charge de gérer la couche physique de l'interface air. Il convertit le flux de données entre les interfaces Iub et Uu. Il participe à la gestion des ressources radio. Le Node B est l'équivalent de la station de base (BTS) des réseaux GSM. Le RNC administre les ressources radio de la zone dont il a le contrôle, autrement dit des ressources de la zone de couverture de tous les Node B auxquels il est rattaché. Le RNC est l'équivalent, en plus évolué, du BSC (Base station controller) des réseaux GSM. Il s'interface avec le réseau c?"ur, généralement à un MSC (Mobile switching center) et à un SGSN (Serving GPRS support node). Il gère le protocole RRC (Radio ressource control), qui sert à définir les messages et les procédures entre le mobile et l'Utran. Quant aux principaux éléments du réseau c?"ur, nous distinguons le HLR (Home location register), le MSC-VLR (Visitor location register), le GMSC (Gateway MSC), le GGSN (ou n?"ud de support d'accès au GPRS) et le SGSN (Serving GPRS support node). Le HLR est la base de données qui gère l'ensemble des abonnés avec leurs profils. Le MSC-VLR correspond au switch MSC et à la base de données VLR, qui fournissent des services circuit à un terminal utilisateur présent dans la zone couverte. Le GMSC est tout simplement un switch relié aux réseaux externes (de type RTCP, RNIS, Internet, ou encore, réseaux paquet en mode circuit). Le SGSN possède des fonctionnalités similaires au MSC-VLR mis cette fois pour les communications paquets et non circuits. En outre, le GGSN est très proche du GMSC, mais il traite les connexions en mode paquet et non en mode circuit.
Bref, l'UMTS est une technologie très prometteuse qui se mettra en place peu à peu. Espérons pour l'utilisateur que les coûts des terminaux multimodes et multibandes ne seront pas trop élevés, et surtout que les services proposés par les opérateurs soient, enfin, à la hauteur des espérances...
Enfin, en dépit de la normalisation, il y a suffisamment de liberté dans la mise en ?"uvre de la norme pour créer des différences dans les performances des futurs équipements UMTS.

soft hand-over contre hard hand-over

Pour les besoins de mobilité et de passage d'une cellule à une autre, le CDMA utilise un mécanisme appelé soft hand-over, opposé au hard hand-over utilisé dans la technologie GSM. Avec cette dernière, le changement de cellule se traduit par le passage d'un canal alloué à un autre dans la nouvelle cellule d'accueil du mobile. Ce basculement entraîne une brève rupture de la transmission de l'ordre de 100 ms. Si cela reste parfaitement acceptable pour une conversation téléphonique, c'est plus ennuyeux pour les données. Avec la technique de soft hand-over des réseaux CDMA, il n'y a plus d'interruption puisque le mobile est connecté en même temps à plusieurs stations de base (Node B).

Si vous êtes préssé...

Il n'y pas un, mais plusieurs systèmes de troisième génération, définis et normalisés selon les continents. Parmi ceux-ci, l'UMTS représente le cadre européen de l'UIT IMT-2000. Le W-CDMA en est la principale interface radio (air).
Prévu pour supporter des débits nettement supérieurs, et à même de gérer des services multimédias, l'UMTS suppose une infrastructure radio totalement différente ainsi que de nouvelles bandes de fréquences plus élevées qu'en GSM.

Lexique

CDMA (Code division multiple access) : grâce à cette technique, un nombre élevé de canaux est transmis simultanément sur une même fréquence. Les canaux sont codés avec des codes d'étalement de spectre distincts qui permettent de reconstituer le signal original en l'extrayant du bruit et des interférences dues aux autres canaux.
W-CDMA (Wideband code division multiple access) : le terme wideband contenu dans ce sigle signifie un débit plus élevé, une flexibilité de services (simultanés et activés) et une capacité supérieure pour les utilisateurs d'accéder au système.
FDMA (Frequency division multiple access) : technique qui consiste à diviser la bande de fréquences dédiée selon le nombre d'utilisateurs, qui disposeront chacun de cette fréquence pendant toute la durée de la communication.
TDMA (Time division multiple access) : technique de multiplexage de fréquences reposant sur un découpage temporel. Les différents utilisateurs d'une même fréquence se voient allouer un intervalle de temps propre, en général des fractions de seconde. L'interface radio des réseaux cellulaires GSM est un mélange de deux modes de multiplexage TDMA-FDMA.
Utran (UMTS terrestrial radio access network) : réseau d'accès radio terrestre comportant un sous-système RNS (Radio network sub-system) composé d'un RNC (Radio network controller), similaire aux BSC (Base station controller) des réseaux GSM et de ses Node B associés, similaires aux stations de base du GSM. Ils sont interconnectés via l'interface Iub. L'Utran a été défini par le 3GPP.

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