UMTS releases 6 7 et 8 HSUPA MBMS et LTE/E-UTRA inclus (3° Éd. revue et augmentée)

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L'UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) est aujourd'hui une réalité sur le plan technique. Des débits encore plus élevés grâce à la 3G+ (HSDPA) sont d'ores et déjà disponibles. Avec le développement des technologies d'accès à Internet haut débit fixes (ex. ADSL), l'accélération de la convergence fixe-mobile représente le prochain défi.
Cet ouvrage met à jour l'étude de l'UMTS selon les derniers avancements des spécifications et avec les terminologies consacrées : l'équipement usager, le réseau coeur, le réseau d'accès radio UTRAN et enfin les nouveaux services offerts. Les spécificités de l'UMTS par rapport aux systèmes GSM et GPRS/EDGE sont analysées et des développements sont également consacrés aux techniques d'étalement de spectre et au WCDMA. Les deux variantes de l'UTRA – l'UTRA/FDD et l'UTRA/TDD – sont étudiées.
Cette nouvelle édition décrit les nouvelles technologies introduites par les Releases 6, 7 et 8 et en particulier le HSUPA, le MBMS et la nouvelle technologie d'accès radio appelée LTE/E-UTRA couplée à une nouvelle architecture réseau appelée SAE/EPS.
Chapitre 1. Évolution des systèmes cellulaires. Chapitre 2. Architecture générale et historique des réseaux UMTS. Chapitre 3. L'UMTS et ses services. Chapitre 4. Le réseau coeur UMTS. Chapitre 5. Le réseau d'accès UTRAN. Chapitre 6. De l'étalement de spectre au CDMA. Chapitre 7. Le CDMA large bande comme méthode d'accès de l'UMTS. Chapitre 8. Les protocoles radio. Chapitre 9. La gestion des appels et de la mobilité. Chapitre 10. La chaîne de transmission UTRA/FDD. Chapitre 11. Procédures de la couche physique UTRA/FDD. Chapitre 12. Le mode UTRA/TDD. Chapitre 13. Mesures et procédures de l'UE en mode veille et en mode connecté RRC. Chapitre 14. Principes de HSDPA et HSUPA. Chapitre 15. Évolutions futures des réseaux UMTS. Annexe 1. Questions à choix multiples. Annexe 2. Les services de géolocalisation en UMTS. Annexe 3. Le codeur de parole AMR en UMTS. Bibliographie. Index.

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Date de parution 19 décembre 2007
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EAN13 9782746242791
Langue Français

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UMTS























© LAVOISIER, 2001, 2004, 2008
LAVOISIER
11, rue Lavoisier
75008 Paris

www.hermes-science.com
www.lavoisier.fr

ISBN 978-2-7462-1604-4

reISBN 2-7462-0335-9 pour la 1 édition
eISBN 2-7462-0856-3 pour la 2 édition


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Tous les noms de sociétés ou de produits cités dans cet ouvrage sont utilisés à des fins
d’identification et sont des marques de leurs détenteurs respectifs.


Printed and bound in England by Antony Rowe Ltd, Chippenham, November 2007.






UMTS

releases 6, 7 et 8,
HSUPA, MBMS et LTE/E-UTRA inclus

e 3 édition revue et augmentée














Javier Sanchez
Mamadou Thioune











Table des matières
Avant-propos...................................... 15
Chapitre 1. Evolution des systèmes cellulaires................. 17
1.1. Rappel sur les méthodes d’accès multiple 18
1.1.1. Les modes de duplexage en temps (TDD) et en fréquence
(FDD)....................................... 18
1.1.2. Accès multiple par répartition de fréquences (FDMA)...... 20
1.1.3. r répartition dans le temps (TDMA)0
1.1.4. r répade codes (CDMA)......... 22
1.1.5. r répartition dans l’espace (SDMA)......3
1.1.6. Multiplexage par répartition sur des fréquences orthogonales
(OFDM)..................................... 24
1.2. Situation actuelle des systèmes cellulaires ................ 25
1.2.1. Systèmes cellulaires de première génération ............ 25
1.2.2. Systèmes cellulaires de deuxième génération ........... 26
1.3. Systèmes cellulaires de troisième génération ............... 28
1.3.1. Le rêve inachevé d’un réseau de troisième génération universel 29
1.3.2. Les technologies d’accès radio de troisième génération agréées
par l’UIT 29
1.3.3. Les réseaux cœur dans les systèmes de troisième génération . . 35
1.3.4. Migration de la deuxième à la troisième génération, du GSM
à l’UMTS .................................... 36
1.4. Processus de standardisation des systèmes de troisième génération. . 38
1.4.1. Le 3GPP ................................. 38
1.4.2. Le 3GPP2 39
1.5. Allocation de spectre pour les systèmes de troisième génération . . . 40
1.5.1. Allocation du spectre suivant la CMR-1992............ 40
1.5.2. Allocation du spectre suivant la CMR-2000............ 42










6 UMTS
Chapitre 2. Architecture générale et historique des réseaux UMTS.... 45
2.1. Introduction................................... 45
2.2. Définition de l’UMTS............................ 46
2.3. Historique du développement de l’UMTS................. 46
2.4. Description générale de l’architecture d’un réseau UMTS ....... 48
2.4.1. Domaine de l’équipement usager................... 49
2.4.2. Domaine de l’infrastructure ...................... 50
2.5. Evolution de l’architecture d’un réseau GSM vers l’UMTS ...... 50
2.5.1. Architecture d’un réseau GSM dans ses débuts commerciaux. . 51
2.5.2. Architecture d’un réseau GSM Phase 2+ .............. 52
2.5.3. Architecture de référence du réseau UMTS ............ 53
2.5.4. Différences majeures entre les technologies radio du GSM
et de l’UMTS .................................. 54
2.6. Le service support offert par un réseau UMTS .............. 56
2.7. Répartition logique des fonctions dans un réseau UMTS........ 57
2.7.1. Strate d’accès.............................. 58
2.7.2. Strate de non-accès...........................9
Chapitre 3. L’UMTS et ses services........................ 61
3.1. Introduction................................... 61
3.2. Le terminal dans un réseau UMTS ..................... 62
3.2.1. L’équipement usager .......................... 62
3.2.2. Classification des terminaux UMTS suivant leur puissance
d’émission.................................... 66
3.2.3. Les terminaux bimodes GSM et UMTS............... 67
3.2.4. Classification des terminaux UMTS en fonction
de leurs capacités radio ............................ 68
3.3. Services proposés par un réseau UMTS .................. 70
3.3.1. Services standardisés .......................... 70
3.3.2. Services support UMTS ........................ 71
3.3.3. Téléservices ............................... 76
3.3.4. Services supplémentaires ....................... 79
3.3.5. Services non standardisés 83
3.4. L’environnement domestique virtuel .................... 85
3.5. Classification des services en fonction de la QoS ............ 86
3.5.1. Services conversationnels 87
3.5.2. Services streaming........................... 88
3.5.3. Services interactifs 89
3.5.4. Services en arrière-plan ou background............... 89
3.5.5. Continuité du service lors d’un handover intersystème
GSM/UMTS................................... 90



























Table des matières 7
Chapitre 4. Le réseau cœur UMTS........................ 93
4.1. Introduction................................... 93
4.2. Architecture du réseau cœur UMTS .................... 93
4.2.1. Caractéristiques du réseau cœur UMTS suivant la Release 99 . 94
4.2.2. Domaines à commutation de circuits et à commutation
de paquets .................................... 95
4.3. Domaine à commutation de circuits 97
4.3.1. Eléments du domaine CS ....................... 97
4.3.2. Protocoles utilisés par les interfaces du domaine CS....... 99
4.3.3. Placement des transcodeurs dans le domaine CS......... 105
4.4. Domaine à commutation de paquets .................... 106
4.4.1. Eléments du domaine PS 106
4.4.2. Echanges de signalisation à l’intérieur du domaine PS ...... 107
4.4.3. Réseau cœur UMTS intégré ...................... 115
4.5. Eléments du réseau cœur UMTS non inclus dans l’architecture
de référence ..................................... 115
4.6. Interopérabilité entre réseaux cœur UMTS et GSM........... 117
Chapitre 5. Le réseau d’accès UTRAN 121
5.1. Introduction................................... 121
5.2. Architecture de l’UTRAN .......................... 122
5.2.1. Sous-système du réseau radio (RNS) ................ 124
5.2.2. Gestion de la mobilité dans l’UTRAN 129
5.2.3. Résumé des fonctions effectuées par l’UTRAN .......... 131
5.3. Modèle générique des protocoles utilisés par les interfaces
de l’UTRAN 132
5.3.1. Couches horizontales 133
5.3.2. Plans verticaux ............................. 134
5.3.3. Plan de contrôle du réseau de transport ............... 135
5.3.4. Plan usager du réseau de transport .................. 136
5.4. Utilisation de l’ATM dans le réseau de transport de l’UTRAN.... 136
5.4.1. Structure d’une cellule ATM ..................... 137
5.4.2. Utilisation des connexions virtuelles en ATM........... 138
5.4.3. Modèle de référence ATM ...................... 139
5.5. Protocoles de l’interface UTRAN-réseau cœur : interface Iu...... 141
5.5.1. Architecture protocolaire des interfaces Iu-CS et Iu-PS ..... 141
5.5.2. Description de RANAP ........................ 144
5.6. Protocoles des interfaces internes de l’UTRAN............. 147
5.6.1. Protocoles de l’interface RNC-RNC : interface Iur ........ 147
5.6.2. Protocoles de l’interface RNC-nœud B : interface Iub ...... 150
5.7. Exemples d’échanges dans l’UTRAN : établissement d’un appel. . . 152
5.8. Résumé des piles protocolaires mises en place par l’UTRAN..... 154


























8 UMTS
Chapitre 6. De l’étalement de spectre au CDMA................ 157
6.1. Introduction................................... 157
6.2. De l’étalement de spectre au CDMA : historique ............ 158
6.3. Principes de l’étalement de spectre et son application en CDMA . . . 158
6.3.1. Définition du gain de traitement................... 160
6.3.2. Propriétés de l’étalement de spectre ................. 161
6.4. Etalement de spectre par séquences directes : DS-CDMA ....... 162
6.4.1. Différences entre le facteur d’étalement et le gain de traitement 165
6.4.2. Exemple d’une chaîne d’émission et de réception
d’un système DS-CDMA ........................... 165
6.5. Influence du gain de traitement dans les performances
d’un système DS CDMA ............................. 167
6.5.1. Définition de la marge de brouillage................. 168
6.5.2. Capacité maximale dans un système DS-CDMA dans la voie
montante..................................... 171
6.6. Codes d’étalement utilisés en DS-CDMA 172
6.6.1. Codes de Walsh-Hadamard ...................... 173
6.6.2. Codes pseudo-aléatoires ........................ 178
6.6.3. Résumé des propriétés des codes d’étalement ........... 183
6.7. Codes d’étalement utilisés en UTRA.................... 184
6.7.1. Codes utilisés dans la voie descendante............... 185
6.7.2. Codes uans la voie montante................. 186
6.8. Systèmes DS-CDMA avec stations de base synchrones et asynchrones 186
Chapitre 7. Le CDMA large bande comme méthode d’accès de l’UMTS 189
7.1. Introduction................................... 189
7.2. Pourquoi utiliser un système CDMA large bande ?........... 190
7.3. Caractéristiques du canal de propagation ................. 191
7.3.1. Evanouissements à long terme .................... 193
7.3.2. Evanouissements à court terme 193
7.4. Techniques utilisées en CDMA pour pallier les dégradations
causées par le canal de propagation ....................... 198
7.5. Techniques pour augmenter la capacité dans un système CDMA . . . 207
7.5.1. Sectorisation d’antennes ........................ 208
7.5.2. Détection d’activité vocale ...................... 209
7.5.3. Influence de l’interférence des cellules voisines sur la capacité
d’un réseau CDMA............................... 209
7.6. Le contrôle de puissance en CDMA .................... 211
7.6.1. Effet « proche-lointain » 211
7.6.2. Contrôle de puissance en boucle ouverte et en boucle fermée. . 213
7.6.3. Besoin d’un contrôle de puissance rapide.............. 214
7.7. La détection multi-utilisateur en CDMA.................. 215
7.7.1. Limites du récepteur RAKE...................... 216






















Table des matières 9
7.7.2. Techniques d’annulation d’interférence ............... 217
7.7.3. Détection conjointe ........................... 218
7.7.4. Techniques de détection utilisées par l’UTRA........... 219

Chapitre 8. Les protocoles radio.......................... 221
8.1. Introduction................................... 221
8.2. Typologie et description des canaux .................... 222
8.2.1. Les canaux logiques 223
8.2.2. Les canaux de transport ........................ 224
8.2.3. Les canaux physiques ......................... 227
8.3. La couche physique .............................. 230
8.3.1. Les fonctions de la couche physique................. 231
8.3.2. Le mapping des canaux de transport sur les canaux physiques . 231
8.4. La couche MAC ................................ 235
8.4.1. Les principales fonctions de la couche MAC............ 235
8.4.2. Le mapping des canaux logiques sur les canaux de transport . . 236
8.4.3. Les unités de données du protocole MAC ............. 237
8.5. La couche RLC 239
8.5.1. Les principales fonctions de la couche RLC ............ 240
8.5.2. Les unités de données du protocole RLC .............. 241
8.5.3. Les modèles associés aux modes d’opération de RLC ...... 243
8.6. La couche PDCP................................ 245
8.7. La couche BMC 247
8.8. La couche RRC 248
8.8.1. La gestion de la connexion RRC ................... 249
8.8.2. La gestion des états de service de RRC ............... 250
8.8.3. La diffusion des informations système 252
8.8.4. La gestion du paging.......................... 254
8.8.5. La sélection et la resélection de cellule 255
8.8.6. La gestion de la mobilité dans l’UTRAN.............. 255
8.8.7. La gestion des bearers radio ..................... 259
8.8.8. Le contrôle des mesures ........................ 262
8.8.9. La gestion du chiffrement et de l’intégrité ............. 263
8.8.10. Le contrôle de puissance en boucle externe ............ 264
8.8.11. Distribution des protocoles radio dans l’UTRAN ........ 265
Chapitre 9. La gestion des appels et de la mobilité............... 267
9.1. Introduction................................... 267
9.2. La sélection de PLMN ............................ 269
9.2.1. Le mode automatique de sélection .................. 270
9.2.2. Le mode manuel de sélection ..................... 271
9.2.3. La resélection de PLMN ........................ 271
9.2.4. Les PLMN « interdits » 272


































10 UMTS
9.3. Principes de gestion de la mobilité en UMTS............... 272
9.3.1. Les zones de localisation........................ 274
9.3.2. Correspondance entre les états de service du réseau cœur
et de l’UTRAN ................................. 276
9.4. La sécurisation de l’accès au réseau.................... 277
9.4.1. L’allocation d’une identité temporaire................ 277
9.4.2. La demande d’identification du mobile ............... 278
9.4.3. L’activation du chiffrement et de l’intégrité ............ 279
9.4.4. L’authentification ............................ 280
9.5. L’inscription auprès du réseau........................ 283
9.5.1. La procédure IMSI attach....................... 283
9.5.2. La procédure GPRS attach...................... 285
9.6. La mise à jour de la zone de localisation du mobile ........... 288
9.6.1. La procédure Location updating................... 288
9.6.2. La procédure Routing area updating................ 290
9.6.3. La relocalisation de SRNS 292
9.6.4. Le détachement du réseau 296
9.7. L’établissement d’appel ........................... 298
9.7.1. Appel circuit ............................... 298
9.7.2. Appel paquet 300
9.8. Handover intersystème entre réseaux GSM et UMTS.......... 303
9.8.1. Handover intersystème en mode circuit : UMTS vers GSM. . . 303
9.8.2. Handover intersystème en mrcuit : GSM vers UMTS. . . 305
9.8.3. Commutation intersystème en mode paquet : UMTS vers GPRS 305
9.8.4. Commutation intersystème en mode paquet : GPRS vers UMTS 306
Chapitre 10. La chaîne de transmission UTRA/FDD............. 309
10.1. Introduction .................................. 309
10.2. Description générale de la chaîne de transmission de l’UTRA/FDD 310
10.3. Opérations appliquées aux canaux de transport : multiplexage
et codage canal ................................... 311
10.3.1. Multiplexage et codage canal dans la voie montante...... 311
10.3.2. Multiplexage et codaal dans la voie descendante..... 321
10.4. Opérations appliquées aux canaux physiques : étalement de spectre
et modulation radio................................. 324
10.4.1. Caractéristiques des canaux physiques de l’UTRA/FDD .... 324
10.4.2. Codes de canalisation ......................... 326
10.4.3. Codes d’embrouillage 329
10.4.4. Modulation QPSK et paramètres radio............... 333
10.5. Etalement de spectre et modulation des canaux physiques dédiés . . 338
10.5.1. Canaux physiques dédiés de la voie montante .......... 338
10.5.2. Canal physique dédié de la voie descendante ........... 345
10.5.3. Différence de temps entre les canaux physiques dédiés
de la voie montante et descendante ..................... 352






















Table des matières 11
10.6. Structure des canaux physiques communs de l’UTRA/FDD ..... 353
10.6.1. Le canal physique d’accès aléatoire (PRACH) .......... 353
10.6.2. Le canal physique commun de paquets (PCPCH) ........ 354
10.6.3. Le canal physique partagé de la voie descendante (PDSCH). . 355
10.6.4. Le canal de synchronisation (SCH)................. 357
10.6.5. Le canal pilote commun (CPICH) 358
10.6.6. Le canal physique primaire commun de contrôle (P-CCPCH). 359
10.6.7. Le canal physique secondaire commun de contrôle (S-CCPCH) 360
10.6.8. Le canal d’indication d’appel (PICH) ............... 361
10.6.9. Le canal d’indication d’acquisition (AICH)............ 362
10.6.10. Canaux physiques de signalisation liés au PCPCH....... 362
Chapitre 11. Procédures de la couche physique UTRA/FDD........ 365
11.1. Introduction .................................. 365
11.2. Le récepteur 365
11.3. Procédure de synchronisation ....................... 368
11.3.1. Première étape : synchronisation au niveau chip et slot..... 369
11.3.2. Deuxième étape : synchronisation au niveau trame
et détection du groupe du code d’embrouillage de la cellule...... 370
11.3.3. Troisième étape : détection du code primaire d’embrouillage
de la cellule ................................... 371
11.3.4. Quatrième étape : synchronisation logique ............ 372
11.4. Procédure d’accès aléatoire via le RACH ................ 373
11.5. Procédure d’accès aléatoire via le CPCH 375
11.6. Procédure d’écoute des messages de paging............... 377
11.7. Procédure de contrôle de puissance .................... 378
11.7.1. Contrôle de puissance en boucle ouverte ............. 378
11.7.2. Contrôle de puissance en boucle fermée.............. 379
11.8. Procédures de diversité d’émission 383
11.8.1. Diversité d’émission par commutation dans le temps (TSTD). 384
11.8.2. Diversité d’émission suivant un codage spatio-temporel (STTD) 385
11.8.3. Diversité d’émission en boucle fermée .............. 386
Chapitre 12. Le mode UTRA/TDD........................ 389
12.1. Introduction .................................. 389
12.2. Caractéristiques de l’UTRA/TDD..................... 390
12.2.1. Avantages de l’UTRA/TDD 391
12.2.2. Inconvénients de l’UTRA/TDD................... 393
12.3. Les canaux de transport et les canaux physiques UTRA/TDD .... 395
12.3.1. Les canaux de transport en UTRA/TDD.............. 395
12.3.2. Les canaux physiques en UTRA/TDD ............... 397
12.3.3. Structure des canaux physiques dédiés 400
12.3.4. Structure et étalement de spectre des canaux physiques
communs..................................... 403





























12 UMTS
12.4. Transmission de données sur les canaux de transport dédiés..... 406
12.4.1. Exemple de multiplexage et de codage canal dans la voie
descendante................................... 407
12.4.2. Exemples de débits « utiles » que l’on peut atteindre
en UTRA/TDD ................................. 408
12.5. Procédures de la couche physique UTRA/TDD............. 408
12.5.1. Procédure de synchronisation .................... 410
12.5.2. Procédure du RACH ......................... 411
12.5.3. Procédures de contrôle de puissance ................ 412
12.5.4. Procédures de diversité d’émission ................. 414
12.5.5. Mesures spécifiques à la technologie UTRA/TDD ....... 416
12.6. Le choix du récepteur dans un réseau UTRA/TDD........... 417
Chapitre 13. Mesures et procédures de l’UE en mode veille et en mode
connecté RRC...................................... 419
13.1. Introduction .................................. 419
13.2. Mesures effectuées par la couche physique ............... 419
13.2.1. Modèle pour le prélèvement des mesures ............. 420
13.2.2. Types de mesures ........................... 421
13.3. Processus de sélection de cellule ..................... 422
13.3.1. Calage sur une cellule......................... 423
13.3.2. Sélection de cellule initiale et sur liste............... 426
13.3.3. Le critère « S »............................. 427
13.4. Processus de resélection de cellule .................... 428
13.4.1. Règles de mesure pour la resélection de cellule ......... 429
13.4.2. Classement des cellules candidates à la resélection :
critère « R » ................................... 430
13.4.3. Etapes dans le processus de resélection de cellule ........ 432
13.5. Processus de handover........................... 433
13.5.1. Types de handover en UTRA .................... 433
13.5.2. Les différentes phases dans une procédure de handover.... 434
13.5.3. Handover intrafréquence ....................... 435
13.5.4. Handover interfréquence 440
13.5.5. Handover intersystème entre l’UTRA et le GSM ........ 442
13.6. Mesures en mode veille et en mode connecté RRC.......... 443
13.6.1. Mesures dans les états veille, CELL_PCH et URA_PCH . . . 443
13.6.2. Mesures effectuées dans l’état CELL_FACH........... 444
13.6.3. Mesures effectuées dans l’état CELL_DCH : le mode compressé 445
Chapitre 14. Principes de HSDPA et HSUPA.................. 451
14.1. Introduction .................................. 451
14.2. Impact de HSDPA sur l’architecture de l’UTRAN ........... 452
14.3. Couche physique HSDPA ......................... 452
14.3.1. HS-DSCH : le canal de transport partagé à haut débit...... 454





























Table des matières 13
14.3.2. Agencement du HS-DSCH sur des canaux physiques...... 455
14.4. Transmission adaptative à débit variable en HSDPA ......... 460
14.5. Mécanisme de retransmission H ARQ en HSDPA ........... 461
14.6. Exemple des traitements au niveau de la couche physique HSDPA . 461
14.7. Stratégies d’attribution de ressources (fast scheduling)........ 462
14.8. Classes des terminaux HSDPA ...................... 464
14.9. HSUPA .................................... 465
14.9.1. Comparaison entre HSUPA et HSDPA .............. 465
14.9.2. Canaux physiques en HSUPA.................... 467
14.9.3. Catégories de terminaux en HSUPA ................ 467
14.10. Améliorations prévues pour HSDPA et HSUPA ........... 468
Chapitre 15. Evolutions futures des réseaux UMTS.............. 469
15.1. Introduction .................................. 469
15.2. Différentes Releases au sein du 3GPP. .................. 470
15.3. Réseau cœur UMTS suivant la Release 4 ................ 472
15.4. Réseau cœur suiv 5 473
15.5. Offre de services multimédias en mode broadcast et multicast (MBMS) 476
15.5.1. Impact de MBMS sur l’architecture des réseaux UMTS .... 477
15.5.2. Modes d’opération de MBMS.................... 477
15.5.3. Evolutions prévues pour MBMS .................. 479
15.6. Convergence fixe-mobile : interconnexion des réseaux UMTS
et WLAN ....................................... 479
15.6.1. Scénarios d’interconnexion UMTS-WLAN............ 480
15.6.2. Impact sur l’architecture UMTS et de l’UE 482
15.6.3. Architectures alternatives de convergence fixe-mobile ..... 483
15.7. Améliorations à HSDPA/HSUPA dans la Release 7 : HSPA+ .... 484
15.7.1. Accroissement de la capacité et du débit pic ........... 485
15.7.2. Définition d’une architecture réseau simplifiée.......... 486
15.8. Evolutions de l’UMTS au-delà de la Release 7 ............. 487
15.8.1. Architecture EPS ........................... 487
15.8.2. Long Term Evolution (LTE) ..................... 488
Annexe 1. Questions à choix multiples...................... 493
Annexe 2. Les services de géolocalisation en UMTS.............. 507
A2.1. Architecture générique d’un réseau UMTS offrant des services
fondés sur la géolocalisation ........................... 508
A2.2. Techniques de géolocalisation spécifiées par le 3GPP ........ 510
A2.2.1. Mesures UTRA/FDD associées à l’estimation de la position
de l’UE ...................................... 510
A2.2.2. La technique Cell-ID ......................... 511
A2.2.3. La technique O-TDOA........................ 512
A.2.2.4. La technique A-GPS 515































14 UMTS
A2.3. Techniques de géolocalisation dans un réseau GSM/GPRS ..... 516
A2.4. Exemple des messages échangés pour l’estimation de la position
de l’UE ........................................ 517
Annexe 3. Le codeur de parole AMR en UMTS................ 519
A3.1. Structure générique d’une trame AMR et modes d’opération.... 520
A3.2. Modification dynamique du mode d’opération de l’encodeur AMR . 523
A3.3. Allocation initiale de ressources pour les modes AMR........ 524
A3.4. L’AMR large bande............................. 525
Bibliographie...................................... 527
Glossaire......................................... 529








Avant-propos
L’UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) est aujourd’hui une réalité.
Depuis son lancement commercial en 2003 en Europe, d’énormes investissements ont
été consacrés à son déploiement. Grâce à la cohabitation de technologies GPRS/EDGE
et UMTS, le haut débit mobile couvre prêt de 98% de la population dans les grands pays
européens. La taille, l’autonomie et même le prix des terminaux 3G sont aujourd’hui
comparables à ceux des téléphones 2G et 2G+. Néanmoins, force est de constater que le
succès commercial n’est toujours pas là. Les opérateurs n’ont toujours pas trouvé le
modèle économique qui rendrait les services offerts par l’UMTS différents de ceux
offerts par des technologies précédentes. L’un des services phare de l’UMTS, la
visiophonie, n’a pas eu encore le succès escompté. Mais nous ne sommes qu’au début du
siècle, et le développement sans cesse des technologies d’accès à Internet haut débit fixe
(exemple ADSL) ou sans fil (exemple Wi-Fi) renforce le besoin plus que jamais de la
convergence. Le mot d’ordre est donc convergence fixe-mobile, c’est-à-dire la possibilité
d’accéder à ses services avec la même qualité quelle qu’elle soit la technologie du réseau
d’accueil fixe ou mobile. Tel est le leitmotiv des évolutions de l’UMTS.
Le but de cette troisième édition est justement de faire part des évolutions de
l’UMTS selon les différentes Releases définies par le 3GPP. Les spécifications
techniques de l’UMTS, telles que les définit la Release 99, ont représenté le fil
conducteur de la deuxième édition. C’est en effet sur cette Release que sont fondés les
premiers déploiements commerciaux de l’UMTS. Cette édition étudiait déjà les
innovations apportées par la Release 5, comme par exemple le HSDPA et l’IMS. Mais la
troisième édition va encore plus loin en décrivant les nouvelles technologies introduites
par la Release 6, telle l’E-DCH, connue aussi sous le nom de HSUPA ainsi que le
système permettant d’offrir des services multimédias en mode multicast et broadcast : le
MBMS. Les scénarios d’interconnexion des réseaux 3G avec des technologies
concurrentes de type réseaux locaux large bande (WLAN), son également étudiés. Les
idées de la Release 7 sont aussi décryptées car elle introduit un certain nombre de 16 UMTS
techniques qui améliorent les performances de HSDPA et HSUPA donnant lieu à
HSPA+. Parmi ces techniques on trouve l’introduction de MIMO. Enfin, la troisième
édition se penche sur la Release 8 au sein de laquelle le 3GPP spécifie une toute nouvelle
technologie d’accès radio appelée LTE ou E-UTRA. Ce nouveau réseau d’accès devra
s’interfacer avec un nouveau réseau cœur optimisé appelé SAE ou EPS.
La troisième édition préserve l’étude de l’UMTS dans sa totalité avec les
terminologies consacrées : l’équipement usager (concept employé pour désigner le
terminal mobile), le réseau cœur, le réseau d’accès radio UTRAN, et enfin les nouveaux
services qui peuvent être offerts. Les spécificités de l’UMTS par rapport aux systèmes
de téléphonie mobile GSM, GPRS et EDGE son également analysées.
Des développements sont également consacrés aux techniques d’étalement de spectre
et au CDMA large bande (WCDMA), qui constituent les fondements de la technologie
d’accès radio UTRA utilisée par l’UMTS. Certes, la technologie CDMA large bande a
fait l’objet d’une abondante littérature. Cependant, certains lecteurs apprécieront de
retrouver, dans ce même ouvrage, aussi bien les principes fondateurs du CDMA que
ceux de l’UTRA. Ainsi, deux chapitres sont entièrement consacrés aux techniques de
l’étalement de spectre et du CDMA large bande. Les deux variantes de l’UTRA –
l’UTRA/FDD et l’UTRA/TDD –, sont étudiées dans le détail. Inutile d’insister sur la
complexité des spécifications techniques qu’impose le système UMTS. Elles seront
décrites de manière aussi simple que possible.
Les auteurs tiennent à adresser leurs remerciements tout particuliers à Xavier
Lagrange, responsable de département à l’école nationale supérieure des
télécommunications (ENST) de Bretagne et coauteur de l’ouvrage Réseaux GSM-DCS,
qui fait référence. Sans le regard averti de Pascal Agin, diplômé de l’école polytechnique
et ingénieur systèmes chez Alcatel, cet ouvrage n’aurait pas vu le jour ; qu’il accepte
toute notre reconnaissance. Enfin, nous souhaitons également à remercier sincèrement
tous les collègues de travail que nous avons pu côtoyer pour leurs remarques pertinentes.
Une partie des figures et des tableaux reproduits dans cet ouvrage sont issus des
spécifications techniques définies au sein du partenariat 3GPP (www.3gpp.org
/3G_Specs/3G_Specs.htm). Lesdites spécifications ne sont pas stables par nature et sont
susceptibles de modifications lors de leur transposition dans les organismes régionaux de
normalisation qui constituent les membres du partenariat 3GPP. La responsabilité des
organismes régionaux de normalisation ne saurait donc être engagée pour les tableaux et
spécifications techniques reproduits dans cet ouvrage. De même, lorsqu’ils ont été
traduits et/ou adaptés par les auteurs, la responsabilité des organismes régionaux ne
saurait être engagée. Chapitre 1
Evolution des systèmes cellulaires
La coïncidence est frappante. Le premier déploiement à titre commercial du
système de troisième génération UMTS a eu lieu en 2001 au Japon, c’est-à-dire
exactement cent ans après la réalisation par Guglielmo Marconi de la première
communication sans fil entre l’Europe et les Etats-Unis. Alors que Guglielmo
Marconi avait opéré seul, l’UMTS est le résultat des travaux de centaines
d’individus au niveau mondial, au sein du 3GPP (Third Generation Partnership
Project).
Ce chapitre fera le point sur les systèmes cellulaires actuels et leur évolution. On
verra en particulier que l’UMTS n’est pas le seul système dans la famille des
cellulaires dits de troisième génération.
Afin de mieux comprendre l’évolution des réseaux de téléphonie mobile vers la
troisième génération, on va brièvement décrire les éléments qui le composent. On
observe, sur la figure 1.1, qu’un réseau de téléphonie mobile est constitué des
terminaux mobiles, d’un réseau d’accès radio et d’un réseau cœur. Le réseau cœur
(core network) est celui qui est en charge de l’acheminement des communications
vers les réseaux fixes tels que le réseau public de téléphonie fixe, le réseau Internet,
etc. Il gère également les services souscrits par l’abonné ainsi que l’itinérance entre
les différents réseaux de téléphonie mobile et effectue la tarification. Le rôle du
réseau d’accès radio est d’acheminer l’information depuis le terminal mobile
jusqu’au réseau cœur et vice versa. Enfin, le réseau d’accès radio met en place une
ou plusieurs méthodes d’accès multiple et de duplexage pour communiquer avec les
terminaux mobiles à travers l’air. 18 UMTS
RRééseseaauu dede t tééllééphphononiiee m mobiobillee
tetecchhnnoollooggiiee
d’d’aaccccèèss r radadiioo
Réseau fixe ou mobile
Réseau d’accès
(RTC, RNIS, Internet…)Réseau cœur
radio

Figure 1.1. Schéma simplifié d’un réseau de téléphonie mobile
1.1. Rappel sur les méthodes d’accès multiple
Décrire les méthodes d’accès revient à décrire l’évolution technologique des
réseaux radio mobiles.
Le concept d’accès multiple est le fondement de tout système radio mobile.
L’idée est de pouvoir partager un ensemble limité de canaux, de telle sorte que
plusieurs utilisateurs puissent y avoir accès pour communiquer simultanément. Un
canal est donc une portion de cet ensemble qui est alloué temporairement à un
utilisateur pour, par exemple, passer un appel téléphonique. Rentabiliser au
maximum cette ressource est le souhait de tout opérateur de téléphonie mobile,
surtout si l’on tient compte du prix exorbitant que les licences UMTS ont atteint
dans certains pays européens. Aussi, les scientifiques s’attachent-ils à mettre au
point de nouvelles techniques d’accès multiple afin d’accroître la capacité et la
couverture des systèmes cellulaires tout en préservant la qualité de service.
1.1.1. Les modes de duplexage en temps (TDD) et en fréquence (FDD)
Toutes les techniques d’accès multiple sont assorties d’un type particulier de
duplexage permettant l’échange d’information entre le mobile et la station de base.
Un système de communication bidirectionnel grâce auquel on peut transmettre et
recevoir des informations simultanément est appelé système à duplexage total ou
full-duplex. D’autres systèmes, tout en étant bidirectionnels, offrent la possibilité de
transmettre et de recevoir de l’information mais de manière non simultanée : ils sont
connus sous le nom de semi-duplex ou half-duplex. Un système de type talkie-walkie
en est un exemple. Enfin, il existe d’autres systèmes de communication
monodirectionnels par le biais desquels on peut uniquement transmettre ou recevoir
de l’information. On dit que ce type de systèmes opère dans un mode simplex. Les
« bipers » ou systèmes paging, qui peuvent recevoir des messages (écrits pour la
plupart), mais ne peuvent pas en transmettre directement, font partie des systèmes
simplex. temps
temps
Evolution des systèmes cellulaires 19
On s’intéresse ici exclusivement au mode full-duplex, car ce mode de
fonctionnement est utilisé par les technologies d’accès radio de l’UMTS. Notons que
la plupart des terminaux GSM actuels se servent d’un type de transmission
halfduplex, même si en pratique, le système GSM en général est considéré comme
fullduplex étant donné que l’intervalle de temps entre l’émission et la réception est
assez court.
Parmi les méthodes de type full-duplex, on distingue les techniques de duplexage
en fréquence ou frequency division duplex (FDD) et celles qui effectuent ce
duplexage dans le temps ou time division duplex (TDD). Le mode FDD utilise deux
bandes de fréquence indépendantes – l’une pour transmettre et l’autre pour recevoir
simultanément. Dans le mode TDD, on transmet et on reçoit sur la même fréquence
porteuse mais à des instants différents.
Le mode FDD requiert une différence de fréquence (bande de garde) entre les
voies montantes et descendantes pour réduire l’interférence entre elles. De manière
analogue, un système utilisant le mode TDD requiert un temps de garde ou période
de garde pour minimiser l’interférence entre les moments d’émission et de réception.
La durée de cette période de garde est déterminée en fonction du temps maximum
que met le signal pour effectuer un aller-retour entre l’émetteur et le récepteur.
Aussi, le mode TDD n’est pas véritablement full-duplex au sens strict du terme. Les
principes qui régissent les modes FDD et TDD sont schématisés respectivement
dans les figures 1.2a et 1.2b.
Station (a) Mode FDD Terminal
de base mobile
f VD1
Fréquence de garde
f VM2
VM : Voie montante
VD : Voie descendante
Station (b) Mode TDD Terminalde base
mobileVM VD VD VD VD VMf1
Période de garde

Figure 1.2. Différents modes de duplexage de type full-duplex : a) FDD et b) TDD

fréquence fréquence20 UMTS
1.1.2. Accès multiple par répartition de fréquences (FDMA)
Le FDMA (Frequency Division Multiple Access) représente le mode d’accès par
excellence des systèmes cellulaires analogiques dits de première génération. Loin
d’avoir disparu, ce mode d’accès fait à présent partie intégrante de tous les systèmes
cellulaires de deuxième et troisième génération de téléphonie mobile où il cohabite
avec d’autres types de multiplexage. L’exemple le plus représentatif d’un système
cellulaire utilisant un mode d’accès « pur FDMA » est le système américain AMPS
(Advanced Mobile Phone Service).
1En FDMA, on alloue à chaque utilisateur une bande de fréquence unique . Dans
ces conditions, un seul utilisateur peut se servir de ce canal pendant la période où la
communication a lieu, comme le montre la figure 1.3a. Il s’agit là d’une condition
exclusive : en effet, pendant toute la durée de la communication, même lorsque ledit
utilisateur ne transmet pas, un autre utilisateur ne peut pas se servir de ce canal.
1.1.3. Accès multiple par répartition dans le temps (TDMA)
Les exemples les plus représentatifs de systèmes cellulaires utilisant le TDMA
(Time Division Multiple Access) sont les systèmes de deuxième génération GSM et
le système IS-136 connu également sous le vocable « digital AMPS » ou encore
« TDMA ». Même si ces deux systèmes utilisent un mode de duplexage de type
FDD, le mode TDD peut également être employé en combinaison avec le TDMA
comme c’est le cas du système de téléphonie sans fil DECT.
Dans un système TDMA, une même bande de fréquence est partagée par un
certain nombre d’utilisateurs qui se voient attribuer un intervalle (ou slot) de temps
unique – comme le montre la figure 1.3b. On a donc N utilisateurs qui peuvent
utiliser une même bande de fréquence dans des temps légèrement différents.
Rappelons qu’en GSM, N = 8 utilisateurs peuvent partager une même bande de
fréquence de 200 kHz alors que dans le système IS-136, N = 3 utilisateurs peuvent
cohabiter dans une bande de fréquence de 30 kHz. Cela ne veut pas dire que dans un
réseau mobile réel, la capacité d’un système GSM ou IS-136 est respectivement 8
ou 3 fois supérieure à celle d’un système « pur FDMA », car d’autres paramètres
doivent être pris en compte. Dans des conditions réelles d’utilisation, les systèmes



1. Si le mode de duplexage FDD est utilisé en combinaison avec le FDMA, on alloue en
réalité deux bandes de fréquence : l’une pour transmettre et l’autre pour recevoir. fréquence
fréquence
appel 9aapppel 1 appel 5
appel 10appel 2 appel 6
appel 7 appel 11appel 3
aappppeell 1122aappppeell 88appppeell 44
fréquence
Evolution des systèmes cellulaires 21
cellulaires fondés sur le TDMA possèdent une capacité de 3 à 6 fois supérieure à
celle des systèmes analogiques fondés sur le FDMA [RAP 96].
temps
utilisateur 1
station f1de base
uuttililisisateateuurr 2 2uuttilisilisatateeuur 2r 2
f2
utilisateur 3
f3
a) FDMA
fréfréqquueennccee
utilisateur 1
station t1de base
utilisateur 2utilisateur 2
tt22
utilisateur 3
t3
b) FDMA/TDMA
fréquence
uuttilisilisateateuurr 1 1
ststaattiioonn cc1
de base
utilisateur 2utilisateur 2
c2
utilisateur 3
cc33
utilisateur 4
c c) FDMA/CDMA4

Figure 1.3. Différents types d’accès multiple utilisés en téléphonie mobile
f
f1
1 f2 f
f3
1
tt33ff22f1 t2f2 f
1tf3 1
c4 c4 c4
c3 c3 c3
c2 c2 c2
cc11 cc11 cc11
ff11 ff22 ff33
tempss
appel 1
aappel 2
aappppeell 3
appel 1 appel 2 appppeell 33
appel 4 a el 5pp appel 66
appel 7 appel 8 appel 9
temps
temps
ffréquence
cooddee
temps
densitéé sspectrpectrale
densité spectrale dendenssitéité spectrale22 UMTS
1.1.4. Accès multiple par répartition de codes (CDMA)
Le CDMA (Code Division Multiple Access) est une technique d’accès multiple
grâce à laquelle les différents utilisateurs peuvent communiquer simultanément dans
une même bande de fréquence. La distinction entre les différents utilisateurs
s’effectue grâce à un code qui leur est attribué et n’est connu que par l’émetteur et le
récepteur. Le principe directeur du CDMA est présenté dans la figure 1.3c.
Pour expliciter les principales différences entre les méthodes d’accès multiple
décrites précédemment, les scientifiques racontent la petite histoire suivante. On
suppose que, dans une grande salle, plusieurs couples discutent entre eux – chaque
2couple souhaitant faire abstraction des conversations des autres couples . Si la
méthode d’accès utilisée est le FDMA, on peut envisager l’installation de cloisons
dans la salle afin d’en créer de plus petites. Il est ainsi possible d’isoler
complètement un seul couple afin qu’il puisse y poursuivre sa conversation
librement. Il faudra donc construire autant de petites salles qu’il y a de couples.
Ainsi, s’il est possible de construire dix petites salles, dix couples au maximum
pourront discuter sans être interrompus – chacun dans sa salle.
Si la méthode d’accès est le TDMA, cela signifie que l’on peut dans une même
petite salle faire passer les couples les uns après les autres, de telle sorte que
lorsqu’un couple discute, les autres se taisent. Le temps où ils doivent rester
silencieux doit être aussi court que possible : ainsi, les couples pourront parler
quasiment en même temps. A raison de huit couples par salle, il sera possible à
quatre-vingt couples de communiquer (presque) simultanément dans chacune des
dix salles. Notons que cette situation correspond en réalité à une méthode d’accès
hybride FDMA / TDMA.
Enfin, en CDMA, plus besoin de cloisons : tout le monde peut parler en même
temps dans la même grande salle. La seule contrainte imposée à chaque couple est
de parler dans une langue spécifique différente de celle des autres couples. Les
langues étant différentes, chaque couple peut faire abstraction des autres
conversations. Suivant cette approche, il peut y avoir autant de couples dans la salle
qu’il y a de langues différentes. Néanmoins, lorsque le nombre de couples devient
trop grand, il y a un « bruit de fond » assez intense et gênant qui empêche les



2. Il s’agit ici d’un exemple aidant à la compréhension des méthodes d’accès qui ne reflètent
pas nécessairement les résultats qu’il est possible d’obtenir dans une situation réelle, en
particulier en ce qui concerne le nombre d’utilisateurs qu’il est possible de desservir avec
chaque méthode. Evolution des systèmes cellulaires 23
couples de se comprendre. Pour résoudre cette difficulté, on peut demander à chaque
couple de ne pas dépasser un certain niveau sonore (principe du contrôle de
puissance).
Dans cet exemple, l’air dans la grande salle (en tant que moyen de propagation
de la voix) correspond à la bande de fréquence totale dont dispose l’opérateur du
réseau ; les petites salles représentent les bandes de fréquence allouées
individuellement aux utilisateurs du réseau ; et les différentes langues parlées dans la
salle sont les codes qui permettent de reconnaître / isoler la conversation de deux
utilisateurs (cas du CDMA). Le CDMA est utilisé par le standard américain de
deuxième génération IS-95 (cdmaOne). Il est aussi le mode d’accès retenu pour le
réseau d’accès radio de l’UMTS ; c’est pour cette raison que les chapitres 6 et 7 de
cet ouvrage lui sont consacrés.
1.1.5. Accès multiple par répartition dans l’espace (SDMA)
Une autre méthode d’accès multiple est le SDMA, autrement dit l’accès multiple
par répartition dans l’espace (Space Division Multiple Access). Comme on l’a vu
précédemment, les utilisateurs d’un système cellulaire peuvent être répartis en
fonction de la fréquence (FDMA), du temps (TDMA) ou des codes qui leur sont
attribués (CDMA). En SDMA, les utilisateurs sont répartis dans un espace
géographique et la communication entre le mobile et la station de base a
lieu par le biais d’un faisceau unique rayonné par l’antenne de cette dernière (voir
figure 1.4). Le canal dans un système SDMA a donc une connotation spatiale.
signal utilisateur 2
d’interférence
ututilisilisatateur Neur N
utilisateur 1 f1
f1f11
station
de base

Figure 1.4. Accès multiple par répartition dans l’espace (SDMA) 24 UMTS
Le principe du SDMA repose sur le concept d’« antenne intelligente », appelée
ainsi par opposition aux antennes ayant un diagramme de rayonnement fixe, qu’il
soit omnidirectionnel ou sectoriel [TAB 97]. Dans la pratique, le SDMA est utilisé
en combinaison avec une ou plusieurs des techniques d’accès multiple décrites
précédemment. Il est possible, par exemple, de réutiliser le même ensemble de codes
CDMA et la même fréquence porteuse d’un faisceau à l’autre et donner ainsi lieu à
une technique hybride SDMA, FDMA et CDMA. Ce schéma d’accès multiple est
tout à fait adaptable aux technologies UTRA/FDD et UTRA/TDD, afin d’accroître
encore la capacité du système.
1.1.6. Multiplexage par répartition sur des fréquences orthogonales (OFDM)
L’OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) est un cas particulier
de la modulation multiporteuse (MC pour Multi-Carrier). Un bloc de symboles
d’information est décomposé en sous-blocs. Chaque sous-bloc est ensuite transmis
sur différentes sous-porteuses en parallèle à un débit inférieur. Les signaux OFDM
doivent être orthogonaux, de telle sorte que les sous-porteuses puissent se recouvrir
dans un même spectre. Les signaux OFDM peuvent être générés à l’aide d’une
transformée inverse de Fourier.
Dans le contexte de la téléphonie cellulaire, l’OFDM peut être utilisé en
combinaison avec d’autres formes d’accès multiple comme le FDMA, le TDMA et
le CDMA pour donner lieu, respectivement, aux systèmes FDMA multiporteuse
(MC-FDMA), TDMA multiporteuse (MC-TDMA) et CDMA multiporteuse
(MC-CDMA). Ces trois formes combinées d’accès multiples sont représentées dans
la figure 1.5.
Symboles OFDM Symboles OFDM Symboles OFDM
utilisateur 1
utilisateur 2 utilisateur 1 et
utilisateur 2
utilisateur 2
utilisateur 1
temps temps temps
a) MC-FDMA b) MC-TDMA c) MC-CDMA
Figure 1.5. Différents types d’accès multiple obtenus à partir du principe de la technique
OFDM. Le cas particulier où deux utilisateurs sont desservis est considéré
Sous-porteuses
Sous-porteuses
utilisateur 1
utilisateur 2
utilisateur 2
utilisateur 1
Sous-porteusesEvolution des systèmes cellulaires 25
L’OFDM a été retenu dans le concept LTE (Long Term Evolution) qui regroupe
un ensemble de technologies radio visant à augmenter les débits et les performances
en générale de l’accès radio dans un réseau UMTS dans ses évolutions autours des
années 2010-2220 (voir chapitre 15).
1.2. Situation actuelle des systèmes cellulaires
En quelques années, la téléphonie mobile est devenue un produit grand public.
Cette situation s’explique notamment par les développements technologiques en
matière de semi-conducteurs dont la téléphonie mobile a bénéficié, au même titre
que les ordinateurs personnels ou encore les agendas électroniques. La
déréglementation des télécommunications dans la plupart des pays du monde a
également fortement accéléré cette situation.
On a tendance à classer l’évolution des systèmes cellulaires en trois grands
groupes : la première génération qui a démarré à la fin des années 1970 et qui existe
encore dans certains pays ; la deuxième génération qui a fait ses débuts dans les
années 1990 et qui continue à se développer ; et enfin, les systèmes de troisième
génération dont le premier déploiement commercial a eu lieu en ce début de siècle.
Bien entendu, on peut encore parler de la quatrième génération des systèmes
cellulaires déjà en cours d’élaboration avec des services à plus haut débit par rapport
à la troisième génération et la possibilité d’intégrer de manière flexible de multiples
technologies radio dans un même terminal (voir chapitre 15).
Du point de vue commercial, on assiste à la fin de la première génération des
systèmes cellulaires aussi appelés systèmes « analogiques » et la deuxième
génération composée des systèmes dits « numériques » est en plein essor. Mais la
deuxième génération est victime de son succès, car le nombre d’abonnés ne cesse de
croître. Cela a pour résultat une saturation du spectre de fréquence qui est devenu
critique dans certains pays comme le Japon. En Europe, on ressent également une
saturation du marché.
1.2.1. Systèmes cellulaires de première génération
Les systèmes de première génération ont été les premiers à exploiter le concept
de la téléphonie cellulaire développé par les laboratoires Bell en collaboration avec
quelques industriels américains dans les années 1960 et 1970. Ces systèmes ont la
particularité d’utiliser la modulation en fréquence (FM), qui est du type analogique
et le FDMA comme seul et unique mode d’accès multiple. 26 UMTS
C’est le système américain AMPS (Advanced Mobile Phone Services), introduit
en 1983, qui est considéré comme l’exemple le plus représentatif de cette première
génération. Alors que le système AMPS s’imposait comme le standard de référence
aux Etats-Unis dans les années 1980, en Europe, a contrario, c’était chacun pour soi
et une panoplie de systèmes à connotation nationale ont vu le jour. De Radiocom
2000 en France à NMT 900 dans les pays nordiques en passant par le système TACS
en Angleterre et le NETZ C en Allemagne, les opérateurs étaient obligés de jongler
avec les différentes normes de communication. Résultats : lorsqu’un utilisateur
français franchissait la frontière allemande, son téléphone ne fonctionnait plus, car
l’itinérance internationale (roaming) n’existait pas.
En termes de services, ces systèmes proposaient de la voix qui était transmise
sous forme analogique, avec une efficacité spectrale assez médiocre. Il faut signaler
que les systèmes de première génération se sont développés dans un environnement
économique (et politique) assez protégé où la notion de déréglementation des
télécommunications n’existait pas. A ses débuts, le prix des terminaux mobiles était
assez élevé et leur utilisation était restreinte aux professionnels. Leur succès comme
produit de masse est resté limité.
1.2.2. Systèmes cellulaires de deuxième génération
Les systèmes de deuxième génération ont profité des développements
technologiques réalisés dans le domaine des composants radiofréquence et des
dispositifs de traitement numérique du signal. Les terminaux sont devenus ainsi plus
compacts, plus légers, ont acquis un plus grand nombre de fonctionnalités et à un
prix abordable pour le grand public.
A la différence des systèmes de première génération, les systèmes de deuxième
génération utilisent des techniques numériques de codage de la parole et la
modulation est elle aussi numérique. Qui plus est, ces systèmes ont été conçus pour
proposer non seulement un service de voix, mais également d’autres services tels
que l’envoi de messages courts (SMS), le fax et l’accès à des réseaux haut débit tels
que l’Internet et le RNIS (réseau numérique intégré de services) et le tout avec une
sécurité renforcée. Le tableau 1.1 décrit les caractéristiques techniques radio des
principaux systèmes cellulaires actuels de deuxième génération.
1.2.2.1. La situation en Europe
Le GSM (Global System for Mobile Communications) s’est imposé comme le
standard de référence dans la deuxième génération en Europe et dans le monde. Les
problèmes de capacité ont été résolus avec l’introduction de nouvelles bandes de
fréquence, ce qui a donné naissance au DCS 1800 (DCS pour Digital
Communication System) qui est le standard GSM sur la bande 1 800 MHz Evolution des systèmes cellulaires 27
[LAG 00]. En termes de débit, le GSM reste limité, car il propose seulement des
débits allant jusqu’à 14,4 kbps. Néanmoins, pour assurer son interopérabilité avec
les systèmes de troisième génération, un grand nombre d’améliorations techniques a
été proposé [LAG 00], ce qui a donné lieu à la « deuxième génération plus »
(voir section 1.3.4).
TDMA/136 IS -95
Standard GSM PDC(D-AMPS) (cdmaOne)
PPaayyss d d’’oorrigigininee EtaEtattss-U-Unnisis EtEtaatts-s-UUnniiss EuEurrooppee JaJappoonn
Lancement
1992 1995 1992 1993commercial
824-849 (VM)
869-894 (VD)
880-915 (VM)824-849 (VM) 824-849 (VM) 810-826 (VM)Spectre
869- 894 (VD) 869- 894 (VD) 925-960 (VD) 940-956 (VD)de fréquences
(M(MHHzz)) 11885050-- 11991100 ( (VVM)M) 11 885050 -- 191910 10 ((VVMM)) 1717 11 00--1177885 (5 (VVM)M) 11442929--1144553 (3 (VVM)M)
19193300-- 191990 (90 (VVDD)) 11993030-- 1919990 (0 (VVDD)) 11447777--151501 (01 (VVDD))11880505--1818880 (0 (VVDD))
1850-1910 (VM)
1930-1990 (VD)
Technique
FDMA/TDMA FDMA/CDMA FDMA/TDMA FDMA/TDMA
d’accès multiple
Mode de duplexage FDD FDD FDD FDD
SépSépaarraatitionon
3300 kHzkHz 11225500 kHz kHz 220000 kHzkHz 2255 kkHzHz
enentrtree p poortrteeuusseess
Modulation π 4 DQPSK QPSK/O- QPSK GMSK π DQPSK/ / 4
Tableau 1.1. Caractéristiques d’accès radio des principaux systèmes cellulaires
de deuxième génération. On considère VD : voie descendante, VM : voie montante,
QPSK : quadrature phase shift keying, DQPSK : differential QPSK, O-QPSK : offset QPSK,
BPSK : binary phase shift keying, GMSK : gaussian minimum shift keying.
1.2.2.2. La situation aux Etats-Unis
Même si la croissance du marché de la téléphonie mobile aux Etats-Unis reste
soutenue, elle est tout de même moins importante qu’en Europe. Ce phénomène
s’explique notamment par la coexistence outre-Atlantique d’un grand nombre de
systèmes de deuxième génération : l’IS-136, l’IS-95 et le GSM avec sa variante
américaine appelée GSM PCS 1900 (PCS pour Personal Communication System).
Ajoutons à cette liste quelques bastions de réseaux analogiques de première
génération qui sont encore en service.
La situation actuelle des systèmes cellulaires aux Etats-Unis ressemble à celle
connue par l’Europe lors du déploiement des systèmes de première génération. Une
équation très onéreuse et pas uniquement pour les abonnés. Pour s’imposer, les 28 UMTS
fabricants d’équipement de téléphonie mobile sont obligés de vendre trois gammes
de produit (voire quatre), une pour chaque standard. De leur côté, les opérateurs ont
dû bâtir des micro-réseaux qui s’avèrent plus coûteux. Résultat, peu d’opérateurs
aux Etats-Unis sont capables de proposer la couverture de l’ensemble du territoire.
Le standard IS-54 a été développé au début des années 1990 par l’organisme de
standardisation américain TIA (Telecommunications Industry Association). Ce rd, fondé sur le TDMA, reste compatible avec le système analogique AMPS.
Le système IS-136 découle du standard IS-54, sachant que certains canaux de
signalisation analogiques sont devenus numériques.
L’Interim Standard for U.S. Code Division Multiple Access, connu sous le nom
d’IS-95, a été achevé en 1993 et a été déployé pour la première fois sur le plan
commercial en septembre 1995 à Hong-Kong. Rapidement, l’IS-95, fondé sur le
principe du CDMA, est devenu une alternative commerciale crédible face à ses
principaux concurrents de deuxième génération, l’IS-136 et le GSM fondés sur le
TDMA. Il est désigné commercialement par cdmaOne.
1.2.2.3. La situation au Japon
La norme prépondérante au Japon est appelée PDC pour Personal Digital
Communications. Si le succès de cette technologie introduite en 1993 et proche du
standard américain IS-136, est incontestable dans l’archipel, elle n’a pas réussi à
s’imposer en dehors des ses frontières. Mais le Japon a une longueur d’avance sur
l’Europe comme sur les Etats-Unis dans le domaine de l’accès à l’Internet à partir
d’un terminal mobile. Les Japonais utilisent notamment un browser adapté aux
téléphones mobiles pour naviguer sur l’Internet. Ce service appelé « i-Mode » a
connu un énorme succès auprès des jeunes. Le PDC propose actuellement des débits
de 28,8 kbps en « mode paquet » (version appelée PDC-P).
Ainsi, après l’Amérique, qui avait été le fer de lance de la première génération,
après l’Europe qui a joué les premiers rôles dans la deuxième génération, le Japon
est sans doute le pays qui a le plus investi pour préparer la troisième génération. Ces
efforts ont abouti au déploiement, en octobre 2001, du premier réseau commercial
de troisième génération au Japon appelé FOMA (Freedom Of Mobile Multimedia
Access) fondé sur les toutes premières spécifications techniques de l’UMTS. Il
apparaît, avec ses voisins en Asie comme la Chine et la Corée du Sud, comme l’un
des acteurs majeurs de la troisième génération.
1.3. Systèmes cellulaires de troisième génération
On peut définir la troisième génération comme un ensemble de technologies
développées afin de faire évoluer les systèmes cellulaires actuels de deuxième Evolution des systèmes cellulaires 29
génération, tant en termes de capacité et de couverture, que de variété et de qualité
de services. Certains spécialistes parlent de la troisième génération comme d’une
révolution, comparée aux systèmes de deuxième génération, mais le terme le plus
juste serait sans doute celui d’une « évolution révolutionnaire ».
1.3.1. Le rêve inachevé d’un réseau de troisième génération universel
A tort, on a tendance à croire que l’UMTS (Universal Mobile
Telecommunications System) est le seul système cellulaire dans la troisième
génération. Mettre sur pied un standard unique et international était de fait l’objectif
recherché par l’UIT (Union internationale des télécommunications), l’organisme
chargé de réglementer les différents standards de télécommunications au niveau
mondial. Cette norme « unique » devait s’appeler à l’origine FPLMTS pour Future
Public Land Mobile Telecommunications System. Ce sigle étant imprononçable, la
3future norme fut finalement désignée par le sigle IMT-2000 pour International
Mobile Telecommunications 2000. Le problème est qu’en 1998, ce ne furent pas
moins de dix technologies d’accès radio qui ont été proposées à l’UIT par les
organismes de standardisation des différents pays membres.
Finalement, l’appellation l’IMT-2000 ne recouvrira pas un seul système
cellulaire mais un ensemble de systèmes de troisième génération.
1.3.2. Les technologies d’accès radio de troisième génération agréées par l’UIT
Il existe six technologies d’accès radio terrestre ayant le « label » IMT-2000
(voir tableau 1.2) – sachant que l’UMTS, pour sa part, regroupe les technologies
UTRA/FDD et UTRA/TDD [Rec. ITU-R M. 1457-1]. A ces six réseaux d’accès
radio terrestre, il faut ajouter des « composantes » par satellite qui font également
partie de l’IMT-2000 et qui pourront interagir avec les réseaux terrestres pour offrir
une couverture universelle (www.itu.int/imt).
Mis à part les noms donnés par l’UIT aux technologies UTRA/FDD et
UTRA/TDD, il n’y a pas de consensus pour les désigner en dehors de ce cadre



3. Pour la petite histoire, le chiffre « 2000 » représente le fait que ces systèmes opèrent autour
de la bande de 2 000 MHz, que le débit maximum offert se situe autour de 2 000 kHz et que
l’année prévue pour leur déploiement était à l’origine l’an 2000. 30 UMTS
officiel, situation qui prête à quelques malentendus. Aussi, ces technologies sont
parfois appelées WCDMA/FDD et WCDMA/TDD.

Technologie d’accès radio 3G Appellation IMT-2000
UTRA/FDD
Universal terrestrial radio access IMT-2000 CDMA Direct Spread
frequency division duplex
UTRA/TDD
UTRA time division duplex
IMT-2000 CDMA TDD
TD-SCDMA
(low chip rate UTRA/TDD)
Time division synchronous CDMA
Cdma2000 IMT-2000 CDMA Multi-carrier
UWC-136
IMT-2000 CDMA Single-carrier
Universal wireless communications
DECT
Digital enhanced cordless IMT-2000 FDMA/TDMA
telecommunications
Tableau 1.2. Technologies d’accès radio 3G reconnues au sein de l’IMT-2000. Les termes
Cdma2000, UWC-136 et DECT désignent aussi un système radio mobile dans son ensemble.
L’appellation multi-carrier du cdma2000 ne veut pas dire que la technique OFDM est utilisée.
Agréés par l’UIT, les réseaux d’accès radio qui utilisent l’une des six
technologies dans le tableau 1.2 doivent satisfaire les caractéristiques techniques
suivantes :
– services à haut débit. Minimum 144 kbps dans tout type d’environnement et
2 Mbps dans des environnements intérieurs (indoor) et avec une mobilité restreinte ;
4– transmission de données de manière symétrique et asymétrique ;



4. Dans une transmission symétrique, le débit de la voie montante est égal à celui de la voie
descendante. A contrario, dans une communication asymétrique, le débit dans les deux voies
Evolution des systèmes cellulaires 31
– services utilisant la technique à commutation de circuits (circuit-switched) et
à commutation de paquets (packet-switched). La première est plus appropriée pour
la transmission de la voix, alors que la seconde est plus adaptée pour la transmission
de données ;
– qualité de la parole comparable à celle des réseaux câblés ;
– capacité et efficacité spectrale supérieures à celles des systèmes cellulaires
actuels de deuxième génération ;
– possibilité d’offrir des services multimédias lors d’une même connexion et
avec des qualités de services différentes (débit, taux d’erreurs, délai de transfert etc.)
pour les différents types de médias (voix, audio, données, etc.) ;
– interopérabilité avec les réseaux d’accès radio de deuxième génération ;
– itinérance (roaming) entre les différents systèmes de troisième génération ;
Quelques-uns des paramètres techniques sur lesquels reposent les principales
technologies d’accès radio de troisième génération sont présentés dans le
tableau 1.3. On a volontairement omis les paramètres du système DECT, qui n’est
pas à l’heure actuelle un élément majeur dans les systèmes cellulaires de troisième
génération, mais qui pourra le devenir. Les détails techniques de la technologie
TDSCDMA, très proches de l’UTRA/TDD, sont également omis et peuvent être
consultés sur le site www.cwts.org.
1.3.2.1. Les technologies d’accès radio de l’UMTS : UTRA/FDD et UTRA/TDD
L’utilisation de la méthode d’accès TDMA, en plus de la méthode d’accès
CDMA, est la caractéristique principale qui différencie l’UTRA/TDD de
l’UTRA/FDD. Cela veut dire qu’en UTRA/TDD, on utilise la technique de
« transmission en rafale » ou par burst, comme dans le système GSM où plusieurs
utilisateurs peuvent occuper un intervalle (slot) de temps différent à l’intérieur de
chaque trame. En UTRA/FDD, la transmission a lieu de manière continue pour les
voies montantes et descendantes. Qui plus est, la transmission et la réception en
UTRA/TDD se font sur une même bande de fréquence de largeur 5 MHz à des
instants différents, alors qu’en UTRA/FDD, on peut transmettre et recevoir
simultanément dans une paire de bandes de fréquence différentes, chacune d’une
largeur de 5 MHz.


est différent. Par exemple, la navigation sur Internet depuis le terminal mobile requiert
généralement un débit dans la voie descendante beaucoup plus important que celui requis
dans la voie montante. 32 UMTS
La technologie UTRA/TDD est mieux adaptée à des trafics asymétriques et à des
environnements « intérieurs » (indoor) avec une mobilité restreinte. Au contraire, la
technologie UTRA/FDD est plus adaptée à des trafics symétriques et des
environnements « extérieurs » (outdoor) avec une grande mobilité. Aucun opérateur
en Europe n’a pour l’instant déployé des réseaux fondés sur la technologie
UTRA/TDD : ils utilisent tous la technologie UTRA/FDD.
Les technologies d’accès radio UTRA/FDD et UTRA/TDD ont été proposées
pour rester compatibles avec les caractéristiques radio du GSM et ses évolutions
(GPRS, EDGE).
1.3.2.2. Le TD-SCDMA
Le sigle TD-SCDMA désigne la proposition faite par la Chine à l’UIT dans le
cadre de l’IMT-2000. Cette technique a été développée originellement par le groupe
de standardisation chinois CWTS (China Wireless Telecommunication Standard
Group). Etant donné ses similitudes techniques avec l’UTRA/TDD, des études ont
été menées pour rendre ces deux technologies compatibles. Résultat, elle fait
maintenant partie des technologies d’accès radio pouvant être utilisées dans un
réseau UMTS. Dans la Release 4 des spécifications techniques de l’UMTS, le
TDSCDMA est considéré comme une version « bande étroite » de l’UTRA/TDD
donnant la possibilité d’utiliser une largeur de bande de seulement 1,6 MHz (version
appelée UTRA/TDD low chip). Cette particularité est intéressante dans des réseaux
où une bande de fréquence de 5 MHz n’est pas disponible.
1.3.2.3. Le cdma2000
Cette technologie, appelée aussi IS-2000, se place dans le cadre de l’évolution de
l’IS-95 (cdmaOne) vers la troisième génération. La principale similitude technique
entre le cdma2000 et les technologies UTRA/FDD et UTRA/TDD est l’utilisation
du CDMA comme mode d’accès. On peut remarquer cependant que le cdma2000
offre la possibilité d’utiliser une ou plusieurs porteuses dans la voie descendante
(jusqu’à douze porteuses simultanément), ce qui s’avère particulièrement utile pour
préserver la compatibilité avec le système de deuxième génération qui le précède, le
cdmaOne.
Ainsi, l’évolution du cdmaOne vers la troisième génération se fera en deux
phases : dans la première, le cdma2000, appelé « cdma2000 phase 1 » ou
« cdma2000 1×MC », sera capable d’offrir, à l’aide d’une seule porteuse avec une
bande de 1,25 MHz, des débits allant jusqu’à 307 kbps. Il sera directement
compatible avec le cdmaOne (95A et 95B). Dans une deuxième phase, le
« cdma2000 phase 2 » ou « cdma2000 3×MC », permettra, à l’aide de trois
porteuses, dans une bande de 5 MHz, d’atteindre un débit de 2 Mbps. Dans une
phase intermédiaire se place le système cdma2000 1×EV (HDR), optimisé pour la Evolution des systèmes cellulaires 33
transmission de données par commutation de paquets. Il est compatible avec le
cdma2000 1×MC et opère dans une bande de 1,25 MHz pouvant atteindre des débits
« pic » de 2,4 Mbps. Le cdma2000 va certainement jouer un rôle commercial
important dans le continent américain et en Asie. Au Japon et en Corée du Sud par
exemple, le cdma2000 1×MC compte déjà plusieurs millions d’abonnés.
La figure 1.6 illustre la manière dont les technologies d’accès radio de troisième
génération fondées sur le CDMA utilisent la bande spectrale.
a) UTRA/FDD c) UTRA/TDD (variante « 3,84 Mcps »)
5 MHz (× 2) 5 MHz
BG = Bande de Garde b) Cdma2000 d) TS-SCDMA (variante « 1,28 Mcps »)
1X1X1X1X 1X1XBGBG BGBG
1,25 MHz 1,25 MHz 1,25 MHz 1,6 MHz 1,6 MHz 1,6 MHz
5 MHz (× 2) 5 MHz
Figure 1.6. Utilisation du spectre par les techniques IMT-2000 basées sur le CDMA
Selon les spécifications techniques, le cdma2000 et l’UMTS ont capables de
réaliser une procédure d’itinérance entre eux (cdma2000 vers UMTS et vice versa).

UTRA/FDD UTRA/TDD Cdma2000 UWC-136
Accès TDMA CDMA (VM)
CDMA TDMA
multiple et CDMA MC-CDMA (VD)
Pays /
Corée du Sud,
régions où Europe, Japon, Chine
Amérique, Japon, Amérique
il est Amérique (TD-SCDMA)
Chine
déployé
– FDD
Mode de – TDD optionnel
FDD TDD FDD
duplexage pour 136HS
indoor
34 UMTS
suite UTRA/FDD UTRA/TDD Cdma2000 UWC-136
Débit chip 3,84 N × 1,2288
3,84
(Mcps) (1,28 TD-SCDMA) N = 1, 3, 6, 9, 12
+ – 136 : 30 kHz
Séparation 5 MHz – 136HS outdoor :
N × 1,25 MHz
entre 5 MHz (1,6 MHz, 200 kHz
N = 1, 3, 6, 9, 12
porteuses TD-SCDMA) – 136HS indoor :
1,6 MHz
Synchro. asynchrone
entre (synchrone
synchrone synchrone asynchrone
stations optionnelle)
de base
– 136+: 40
Durée
10 – 136HS outdoor:
d’une 5, 10, 20, 26, 66,
10 (sous-trame de 5 4,615
trame 40, 80
ms, TD-SCDMA) – 136HS indoor:
(ms)
4,615
– 136+: π/4
DQPSK, 8-PSK
Type de QPSK – 136HS outdoor:
BPSK (VM) BSPK, QPSK,
modulation (8-PSK optionnelle GMSK, 8-PSK
QPSK (VD) 8-PSK, 16-QAM
des données en TD-SCDMA) – 136HS indoor:
BOQAM,
QOQAM
Site avec les ftp://www.3gpp.org/ ftp://www.3gpp.org/ www.tiaonline.org/ www.tiaonline.org/
specs. specs specs standards standards
Tableau 1.3. Caractéristiques des principales technologies d’accès radio IMT-2000
1.3.2.4. L’UWC-136
L’UWC-136 (UWC pour Universal Wireless Communications) est le nom du
standard qui doit permettre de faire évoluer le standard américain IS-136 vers la
troisième génération. Le passage de l’IS-136 vers la troisième génération se fera
suivant trois variantes :
– le 136+ qui propose des services de voix et de données dans un canal de
30 kHz avec des modulations de type π / 4 DQPSK et 8-PSK permettant d’atteindre Evolution des systèmes cellulaires 35
des débits de l’ordre de 64 kbps dans une configuration multislot. Cette variante fait
aussi appel à une architecture GPRS pour permettre la transmission en mode paquet
et qui s’inspire directement de celle du GSM/GPRS (version appelée GPRS-136) ;
– le 136 HS outdoor (HS pour High Speed) utilise des canaux espacés de
200 kHz et de la modulation GMSK et 8-PSK. Il a été proposé pour offrir des
services avec un débit maximal de 384 kbps dans des environnements à grande
mobilité. Soulignons que cette variante de l’UWC-136 a adopté le standard EDGE
qui est proposé également en Europe dans le cadre de l’évolution du GSM ;
– enfin, l’IS-136 HS indoor requiert une bande par porteuse de 1,6 MHz et
grâce à des schémas de modulation B-O-QAM (Binary Offset Quadrature Amplitude
Modulation) et Q-O-QAM (Quadruple Offset Quadrature Amplitude Modulation), il
est possible d’atteindre des débits supérieurs à 2 Mbps avec une mobilité restreinte.
1.3.2.5. Le DECT
Le DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) se place dans le
cadre de l’évolution vers la troisième génération du standard sans fil DECT dont la
signification est à l’origine : Digital European Cordless Telephone. L’interface
radio DECT de troisième génération est une proposition européenne utilisant la
méthode d’accès TDMA et le mode de duplexage TDD.
La transmission peut être symétrique ou asymétrique avec des débits variables
allant jusqu’à 2,88 Mbps. Le système DECT est plus approprié pour une utilisation
dans des environnements en intérieur (indoor) avec une mobilité limitée.
1.3.3. Les réseaux cœur dans les systèmes de troisième génération
La figure 1.7 représente les réseaux cœur possibles actuellement envisagés pour
les systèmes de troisième génération IMT-2000. Ils se présentent sous une forme
adaptée ou « évoluée » des principaux réseaux cœur utilisés actuellement dans la
deuxième génération. Il s’agit du :
– GSM/MAP « évoluée ». Réseau cœur actuellement utilisé par les réseaux
GSM/GPRS/EDGE. Il fait partie des réseaux UMTS de la Release 99 ;
– ANSI-41 « évoluée ». Réseau cœur actuellement utilisé par les réseaux
cdmaOne et IS-136. Il fait partie des premiers réseaux cdma2000 et UWC-136.
C’est au choix des opérateurs de déterminer les réseaux d’accès radio qui
pourront être supportés par leur réseau cœur respectif, choix qui doit répondre aux
besoins du marché. Des exemples d’interconnexion sont présentés dans la figure 1.7. 36 UMTS
Dans un premier temps, chaque réseau cœur devra supporter les services offerts
par le système de troisième génération en même temps que les services de deuxième
et de « deuxième génération plus » qui précéderont. Plus tard, il pourrait être
question d’adopter un réseau entièrement IP (Internet Protocol), ce qui pourrait
faciliter l’interopérabilité entre les différents systèmes de troisième génération
(voir chapitre 15).
RéRéseau seau
RARANN
UMTS
IMT-DS
UTRA/FDD GSM/MAP
évoluéIMT-TC
UTRA/TDD
TD-SCDMA
IP multimediaRéseau
RAN subsystem (IMS) cdma2000
IMT-MC
cdma2000
ANSI-41
évoévolluéuéRéRéseau seau
RARANN UWC-1366
IMT-SC
UWC-136
Technologie d’accès radio Réseau cœur 3G
Figure 1.7. Réseaux cœur envisagés et leur possible interconnexion avec des réseaux
d’accès radio utilisant l’une des technologies IMT-2000
1.3.4. Migration de la deuxième à la troisième génération, du GSM à l’UMTS
La migration de la deuxième génération vers la troisième passe par une étape
intermédiaire appelée « deuxième génération plus ». L’intérêt pour les opérateurs de
téléphonie mobile est double : rentabiliser les réseaux de deuxième génération
existants tout en familiarisant leurs abonnés à de nouveaux services, autres que la
voix tels que la transmission de données et d’images ou encore l’accès à l’Internet.
Ainsi, la transition entre la deuxième et la troisième génération pourra se faire de
façon graduelle. A l’heure actuelle, la plupart des systèmes de deuxième génération
tels que le GSM, ne sont pas capables de supporter efficacement ce type de services,
car ils sont limités par le débit. Qui plus est, la plupart des opérateurs de ces Evolution des systèmes cellulaires 37
systèmes pratiquent la tarification de la communication en fonction du temps
pendant lequel le mobile est connecté au réseau, à la différence de la transmission
par paquets qui ne se sert des ressources radio que lorsque l’on a un message à
envoyer ou à recevoir. Le résultat est qu’en mode paquet, la tarification peut être
faite en fonction de la quantité d’information que l’on a réellement transférée et non
pas en fonction du temps pendant lequel on est physiquement connecté au réseau.
Dans ce contexte, le GPRS (General Packet Radio Services) joue un rôle essentiel
dans la migration du GSM vers l’UMTS.
Le GPRS utilise un type de codage de canal variable et permet d’allouer à un
utilisateur plus d’un intervalle de temps par trame. Cela permet d’accroître la
capacité et l’efficacité spectrale du réseau en proposant une bande passante « à la
carte » [LAG 00]. La transmission d’information à haut débit en mode circuit
(HSCSD) est une autre amélioration portée au GSM en vue de son évolution vers
l’UMTS.
IS-136 IS-136+ IS-136HS indoor
< 14.4 kbps 64 kbps 2 Mbps
IS-136HS outdoor
384 kbps (GPRS/EDGE)GSM/HSCSD
EGPRS57 kbps
GSM GSM GSM/GSM/GGPRSPRS
< 1< 144,4 ,4 kbkbpsps UMTSUMTS17171,1,2 kb2 kbppss
UTRA/FDD
2 Mbps
PDC/PDC-P
< 30 kbps
UTRA/TDD
2 Mbps
HSDPA
≥10 Mbps
cdma2000 1XEV-DO
cdma2000 1XEV-DV
(HDR) 2,4 Mbps HSUPA
3,1 Mbps
≈≈≈5,5,5,7 Mb7 Mb7 Mbpspsps
cdcdmma20a200000 p phhase ase 11 cdcdmma20a200000 p phhase ase 22cdmaOne A cdmaOne B
(cdma2000 1X-MC) (cdma2000 3X-MC)
< 14,4 kbps 115 kbps
307 kbps 2 Mbps «3.5G »
2G 2.5G 3G

Figure 1.8. Evolution possible des systèmes cellulaires de la deuxième
vers la troisième génération. Les débits montrés correspondent à des valeurs théoriques
et ils peuvent varier en fonction des hypothèses considérées pour leur calcul
Afin d’accroître encore les débits que l’on peut obtenir avec le GPRS (jusqu’à
× 21,4 kbps)), l’ETSI a développé la technologie EDGE (Enhanced 171,2 kbps (8
Data-rates for GSM/Global Evolution). EDGE offre la possibilité d’appliquer
différents schémas de modulation (8-PSK avec 3 bits par symbole et GMSK avec 38 UMTS
1 bit par symbole) et de codage canal de manière adaptative, ce qui permet
d’atteindre un débit (théorique) de 473,6 kbps (8 × 59,2 kbps) [LAG 00]. On sait
d’ores et déjà que les réseaux IS-136 utiliseront la technologie GPRS et EDGE dans
leur évolution vers l’UWC-136 (variante 136HS outdoor). En Europe, des réseaux
GSM/GPRS/EDGE cohabitent déjà avec des réseaux UMTS dans un souci d’étendre
la couverture à haut débit dans des zones à faible densité.
Enfin, des travaux sont en cours afin d’augmenter les débits au niveau de
l’interface radio des réseaux UMTS. Cela a donné lieu à la technologie appelée
HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) dont les débits théoriques peuvent
atteindre 10 Mbps dans la voie descendante. D’une manière similaire, la technologie
HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) rend possible la transmission sur la voie
montante à des débits proches de 5,5 Mbps. Avec ces deux technologies on parle
déjà de la « 3.5G » ou « 3G+ » sachant qu’à l’heure actuelle, seul le HSDPA est
déployé commercialement (voir chapitres 14 et 15).
1.4. Processus de standardisation des systèmes de troisième génération
Comparée à la deuxième génération qui repose sur quatre standards (IS-136,
cdmaOne, GSM, PDC), la troisième génération n’a pas réussi à créer un seul
standard universel, puisqu’il existe, potentiellement, six réseaux d’accès radio,
chacun pouvant utiliser une technologie différente (UTRA/FDD, UTRA/TDD,
TD-SCDMA, cdma2000, UWC-136, DECT) et pouvant s’interconnecter à l’un des
réseaux cœur GSM/MAP et ANSI-41. Cependant, dans cette nouvelle génération, un
changement très important a eu lieu : le processus de standardisation est mené dans
un contexte international.
1.4.1. Le 3GPP
Le 3GPP (Third Generation Partnership Project) a été créé à l’initiative de
l’ETSI et a débuté ses fonctions fin 1998. Son objectif est de développer les
spécifications techniques d’un système de troisième génération dont le réseau cœur
est dérivé de celui du GSM (GSM/MAP) et dont la technologie d’accès radio est
l’UTRA avec ses deux variantes FDD et TDD. Ce système est appelé dans cet
ouvrage UMTS. Le 3GPP veille aussi à ce que ce système soit compatible avec le
GSM et ses possibles évolutions HSCSD, GPRS et EDGE.
Les partenaires à l’origine du 3GPP sont des organismes de standardisation
représentatifs d’un pays ou d’une région. Ils sont responsables de l’approbation et de
la publication des spécifications techniques et de l’organisation des réunions pour Evolution des systèmes cellulaires 39
leur élaboration. De ce fait, le 3GPP n’est pas en soi un organisme de
standardisation. Les six partenaires du 3GPP sont montrés dans la figure 1.9.
Des membres participent à titre individuel au développement des spécifications
techniques dans des groupes de travail appelés TSG (Technical Specification
Group).
1.4.2. Le 3GPP2
Le 3GPP se consacre uniquement à un système cellulaire de troisième génération
qui utilise comme réseau cœur celui du GSM (GSM/MAP). C’est pourquoi les
membres de l’ANSI (American National Standards Institute) ont proposé, à leur
tour, la création d’un projet parallèle semblable au 3GPP pour mettre au point les
spécifications techniques du cdma2000, qui utilise comme réseau cœur l’ANSI-41.
Ce projet a été appelé le 3GPP2 (www.3gpp2.org).
En 1999, des actions ont démarré afin d’harmoniser les travaux du 3GPP et du
3GPP2. Cela a donné lieu à certaines modifications techniques de propositions
originales de l’UTRA/FDD et de l’UTRA/TDD. Dans l’avenir, l’itinérance entre un
réseau UMTS et un réseau cdma2000 sera facilitée grâce à ce processus
d’harmonisation. Les cinq organismes de standardisation qui font partie du comité
d’organisation du 3GPP2 sont schématisés dans la figure 1.9.
ARIB
Japon Développement
des spécifications
ETSI techniques du
Europe cdma2000
T1
EtatsEtatsEtats---UUUnnniiisss
TITITIAAA3G3GPPPP 3G3GPPPP22
Etats-Unis
TTA
Crée du sud –ARIB : Association of Radio Industries and Businesses
Développement – ETSI : European Telecommunications Standards Institute
TTCdes spécifications –T1: Standards Committee T1 Telecommunications
Japon
techniques de l’UMTS, –TIA : Telecommunications Industry Association
ddee GSM, GSM, ddee H HSSCCSSD,D, –T–TTTAA:: TTeelleeccomommmuniuniccatatiionsons T Teecchhnonollogyogy AAssssocociiatatiioonnCCCCCCSASASA
dede G GPPRSRS e ett d’E d’EDDGGEE –– TTCTTC :: TTelecoelecommmmuunnicaicatitioonn T Techechnnoolologgy Cy CoommmmitteitteeeChiChiChinenene
–– CCSCCSAA :: ChiChinana Com Commmununiiccatatiionsons StStandarandarddss A Assssocociiaattiionon
Figure 1.9. Organismes de standardisation partenaires du 3GPP et du 3GPP2 40 UMTS
1.5. Allocation de spectre pour les systèmes de troisième génération
Le choix des bandes de fréquence pour les systèmes de troisième génération est
fait par l’UIT en concertation avec les industriels et les organismes de
standardisation de chaque pays membre.
1.5.1. Allocation du spectre suivant la CMR-1992
C’est au cours de la CMR-1992 dans ces bandes de fréquence que la distribution
des licences de troisième génération en Europe a eu lieu. Le spectre des fréquences
identifié au cours de la CMR-1992 se situe aux alentours de 2 GHz : 1 885-2 025
MHz et 2 110-2 200 MHz. Ce spectre qui représente un total de 230 MHz doit se
partager entre les composantes terrestres radio et par satellite de troisième
génération IMT-2000.
Les bandes de fréquence identifiées par l’UIT sont plus ou moins respectées en
fonction du pays ou de la région où les systèmes IMT-2000 seront déployés.
En Europe, la norme de téléphonie sans fil DECT (de deuxième génération)
occupe déjà la bande 1 880-1 900 MHz, ce qui laisse un total de 225 MHz pour le
déploiement des technologies de troisième génération. La plupart des pays
européens ont l’intention de partager ce spectre de la manière suivante :
– 120 MHz pour l’UTRA/FDD. Le duplexage FDD rend nécessaire une paire
de fréquences, l’une pour transmettre et l’autre pour recevoir. Ainsi, 60 MHz seront
utilisés pour la voie montante (de la station mobile vers la station de base), de
1 920 MHz à 1 980 MHz et 60 MHz pour la voie descendante (de la station de base
vers la station mobile), compris entre 2 110 MHz et 2 170 MHz ;
– 35 MHz pour l’UTRA/TDD. A la différence du mode de duplexage FDD, le
duplexage TDD ne requiert qu’une seule fréquence porteuse pour transmettre et
recevoir. Les bandes comprises entre 1 900 MHz et 1 920 MHz et de 2 010 MHz à
2 025 MHz lui sont réservées ;
– 60 MHz pour les systèmes par satellite définis dans le cadre de l’IMT-2000.
Ce spectre est partagé en deux bandes de 30 MHz chacune, allant de 1 980 MHz à
2 010 MHz et de 2 170 MHz à 2 200 MHz.
Les bandes utilisées en Europe pour déployer la technologie UTRA/FDD sont
également disponibles en Chine et au Japon. Notons néanmoins qu’au Japon, une
partie de la bande allouée en Europe pour y déployer le réseau UTRA/TDD est déjà
occupée par le système sans fil PHS (Personal Handyphone System). Soulignons
qu’au Japon et en Chine, ces bandes ne seront pas utilisées exclusivement par le
système UMTS, mais que ce dernier devra, selon de fortes probabilités, cohabiter
avec d’autres systèmes tels que le cdma2000 et le TD-SCDMA. Evolution des systèmes cellulaires 41
Le tableau 1.4 montre quelques exemples des pays où l’allocation des licences
pour le déploiement commercial des réseaux UMTS a déjà eu lieu.

Nombre de Spectre appairé par licence Spectre non appairé par
Pays
licences (UTRA/FDD) licence (UTRA/TDD)
Japon 3 2 × 20 MHz ---
Finlande 4 2 × 15 MHz 1 × 5 MHz
France 3 2 × 15 MHz 1 × 5 MHz
5 2 × 10 MHz 1 × 5 MHz
Allemagne
1 2 × 10 MHz … × 15 MHz 1 × 5 MHz
1 Royaume
2 × 15 MHz … Unis
3 2 × 10 MHz 1 × 5 MHz
Tableau 1.4. Nombre de licences UMTS allouées ou disponibles dans certains pays
En ce qui concerne la France, quatre licences pour y déployer un réseau
UMTS ont été mises en vente auprès des opérateurs de téléphonie mobile. Mais
seules trois d’entre elles ont été acquises respectivement par Orange, SFR et
Bouygues Télécom. Chaque licence comprend 2 × 15 MHz dans la bande
1 920-1 980 MHz/2 110-2 170 MHz pour la technologie UTRA/FDD et 1 × 5 MHz
dans la bande 1 900-1 920 MHz pour la technologie UTRA/TDD.
A la différence de l’Europe, aux Etats-Unis, les bandes identifiées pour les
systèmes IMT-2000 au cours de la CMR-1992 étaient déjà utilisées par des systèmes
de deuxième génération. Cette bande est appelée PCS (Personal Communications
Systems). Des systèmes tels que l’UWC-136 et le cdma2000 sont particulièrement
appropriés pour être utilisés dans ce contexte, car ils gardent une compatibilité
totale, en termes de bandes de fréquence par utilisateur, avec leurs prédécesseurs
respectifs IS-136 et cdmaOne de deuxième génération. 42 UMTS
1.5.2. Allocation du spectre suivant la CMR-2000
On a vu dans le paragraphe précédent qu’en Europe et en Asie le choix des
bandes de fréquence pour y déployer des systèmes IMT-2000 s’est fait sans soucis.
Par contre, aux Etats-Unis, les fréquences identifiées par l’UIT ne sont pas
disponibles. Aussi, au cours de la CMR-2000, qui s’est tenue à Istanbul en mai et
juin 2000, trois nouvelles bandes spectrales pour les composantes terrestres
et par satellite des systèmes IMT-2000 ont été identifiées : 806-960 MHz,
1 710-1 885 MHz et 2 500-2 690 MHz. Notons que la Chine a décidé d’allouer une
bande additionnelle : 2 300-2 400 MHz.
Allocation dans la CMR-1992 Allocation en 2003 par la FCC Allocation dans la CMR-2000
Sat.Sat.
UIT
GSM-900GSM-900 SaSat.t. SaSat.t.GSM 1800GSM 1800 DECDECTT
EuEuropropee
PDC PDC PDC Sat. Sat.PHS
1500Japon
Cellulaire GSM GSM-1800, PCS Sat. Sat.
Chine IMT-2000
Cellulaire
PCS-1900 Sat. Sat.
EEtatats Uts Unnisis
MHz 800 850 900 950 1000 17001750 1800 1850 1900 1950 2000 20502100 2150 22002250 2500 2550 2600 2650 2700
TUechTRA/nologie UTFDD tecRA/hnoFloDDgy TechUTRA/nologie UTTDD teRA/TchnoloDgDy
Voie mUplion ktante VoieDo dewscenlndantink e RRégion / pays egion/country VoU ieps limnk o/ntdo. / dewnlinsc ken. RRégion / pays egion / country
1920 - 1980 MHz 2110 - 2170 MHz EuropEurope, Je, Jaapon, Chine pan, China 1900 - 1920 MHz
EuropEurope, Ce, Chine hina
2010 - 2025 MHz1850 - 1910 MHz 1930 - 1990 MHz AmériquAmericae
1850 - 1910 MHzEurope, Chine 1710 - 1785 MHz 1805 - 1880 MHz Europe, China Etats UnisUSA
1930 -1930 -1930 -1930 - 1990 M1990 M1990 M1990 MHHHHzzzz
AmériquAmériquee 1710 -1710 -1710 -1710 - 1755 M1755 M1755 M1755 MHHHHzzzz 2110 -2110 -2110 -2110 - 2155 M2155 M2155 M2155 MHHHHzzzz AmAmAmAmeeeerrrriiiiccccaaaa
EuropEuropee, Chine , Chine 1910 -1910 -1910 -1910 - 1930 M1930 M1930 M1930 MHHHHzzzz EEEEuuuurrrrope, Cope, Cope, Cope, Chhhhiiiinnnnaaaa
824 -824 -824 -824 - 849 M849 M849 M849 MHHHHzzzz 869 -869 -869 -869 - 894 M894 M894 M894 MHHHHzzzz AmériquAmériquAmAmAmAmeeeerrrriiiiccccaaaaee
830 - 840 MHz 875 - 885 MHz JaJappon an

Figure 1.10. Allocation de spectre pour les systèmes IMT-2000
après la CMR-1992 et la CMR-2000
La première de ces bandes est actuellement utilisée en Europe, au Japon, en
Chine et aux Etats-Unis par les systèmes de deuxième génération. Quant à la
deuxième bande, elle était utilisée entièrement aux Etats-Unis pour des applications
militaires. Néanmoins, courant 2003, l’organisme fédéral américain chargé de la
réglementation des médias (FCC pour Federal Communications Commission), a
alloué un spectre de 90 MHz dans les bandes 1 710-1 755 MHz et 2 110-2 155 MHz
pour y déployer des réseaux de troisième génération. Evolution des systèmes cellulaires 43
Il n’existe pas pour l’instant de date précise en Europe pour l’allocation des
licences dans les nouvelles bandes de fréquence identifiées dans la CMR-2000. Cela
devrait vraisemblablement avoir lieu vers l’année 2010.
Le spectre des fréquences identifié pour les systèmes IMT-2000 après la
CMR-1992 et la CMR-2000 est représenté dans la figure 1.10. On voit sur cette
figure que certaines de ces nouvelles bandes couvrent le spectre déjà occupé par des
systèmes de première et deuxième génération. Cela devrait permettre aux opérateurs
de ces bandes de déployer des systèmes de troisième génération, même s’ils n’ont
pas pu acquérir de licences dans la première phase où les bandes identifiées dans la
CMR-1992 ont été attribuées.

Chapitre 2
Architecture générale et historique
des réseaux UMTS
2.1. Introduction
Le sigle « UMTS », qui signifie système universel de télécommunications
mobiles (Universal Mobile Telecommunications System), n’a pas été choisi par
hasard. Il s’agit d’établir la distinction avec les systèmes de première et de deuxième
génération considérés comme des « systèmes de téléphonie mobile ». A l’inverse,
qui dit « système universel de télécommunications mobiles » dit offre de services
multimédias, disponibles en tout lieu et à tout moment.
Le GSM, alias Global System for Mobile communications, a contribué à faire du
téléphone mobile un objet de la vie courante. Son objectif premier – offrir un service
de téléphonie mobile de qualité – a été atteint. En revanche, ses limitations
techniques inhérentes lui empêchent d’offrir des services multimédias. La phase
suivante, dite « GSM Phase 2+ », fondée sur la technologie GPRS, a fortement
contribué à populariser l’accès à Internet grâce notamment au téléchargement de
fichiers audio et l’envoi et la réception de messages multimédias (MMS). Avec en
plus le déploiement accélérés de réseaux EDGE, des services de type streaming de
qualité ont pu voir le jour. Depuis son déploiement commercial en France en 2004,
l’UMTS n’a pas encore eu le succès escompté mais la grande flexibilité qu’offrent
son architecture et son interface radio feront de lui le système de référence dans les
années à venir.
Ce chapitre apportera une définition formelle de l’UMTS et mettra en lumière les
principes qui régissent son architecture. On verra que l’architecture d’un réseau 46 UMTS
UMTS peut être considérée comme le résultat de l’évolution de l’architecture d’un
réseau GSM Phase 2+. Aussi, on dressera une brève rétrospective de l’évolution du
système GSM depuis les premiers déploiements commerciaux jusqu’à nos jours.
2.2. Définition de l’UMTS
Dans cet ouvrage on s’appuiera sur la définition suivante de l’UMTS :
« L’UMTS est un système cellulaire de troisième génération qui fait partie de la
famille IMT-2000 et dont les spécifications techniques sont développées au sein du
3GPP. L’architecture de ce système est composée essentiellement d’un réseau
terrestre d’accès radio, l’UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network) et
d’un réseau cœur dérivé de celui spécifié pour la « Phase 2+ » du GSM. L’UTRAN
utilise deux modes d’accès fondés sur la technologie CDMA large bande :
l’UTRA/FDD (Universal Terrestrial Radio Access/Frequency Duplex Division) et A/TDD (Unl Radio Access /Time Duplex Division). »
Rappelons que l’UMTS peut être désigné sous d’autres appellations en fonction
du pays dans lequel il sera déployé. Au Japon par exemple, un système fondé par
l’essentiel sur les mêmes principes techniques qui régissent l’UMTS est connu
commercialement sous le nom de « FOMA ».
2.3. Historique du développement de l’UMTS
L’UMTS est le résultat de plusieurs années de recherche qui ont été menées en
Europe à partir de la fin des années 1980 et qui se poursuivent aujourd’hui à
l’échelle mondiale (voir tableau 2.1).
RACE (Research of Advanced Communication Technologies in Europe) a été le
premier programme européen de recherche qui avait pour objectif de définir les
principes techniques de l’UMTS. Il a été lancé en 1987 et s’est déroulé en deux
phases : RACE I et II jusqu’à 1995.
Le programme ACTS (Advanced Communication Technologies and Services)
est venu prendre le relais du programme RACE à partir de 1995. Dans le cadre de
ce programme, le projet FRAMES (Future Radio Wideband Multiple Access
System) s’est focalisé sur deux techniques d’accès multiple désignées par les sigles
FMA1 et FMA2.

Architecture des réseaux UMTS 47
Dans la CMR-1992, une bande spectrale de 230 MHz autour de 2 GHz est
1992
identifiée pour y déployer les systèmes de troisième génération.
Projet RACE I et RACE II. Premières études européennes sur les
1987-1995
caractéristiques techniques de l’UMTS.
Projet ACTS/FRAMES. Etudes focalisées sur deux techniques d’accès
1995-1999 radio FMA1 et FMA2 qui sont considérées comme les précurseurs de
l’UTRA/TDD et de l’UTRA/FDD.
Décembre Début des activités de standardisation de l’UMTS au sein de l’ETSI
1996 SMG2.
Dix technologies d’accès radio sont proposées à l’UIT pour faire partie de
Juin
l’IMT-2000. L’UTRA modes FDD et TDD, proposée par l’Europe, est de
1998
celles-là. Des technologies par satellite sont également proposées.
L’UIT sélectionne les six technologies radio terrestres qui composent
Octobre actuellement l’IMT-2000 : UTRA/FDD, UTRA/TDD, TD-SCDMA,
1998 cdma2000, UWC-136 et DECT. Un certain nombre de technologies par
satellite sont aussi choisies.
Début des activités du 3GPP visant à achever les spécifications du réseau
Décembre
d’accès radio et du réseau cœur qui composent l’UMTS avec une
1998
participation internationale.
Mars La Finlande est le premier pays européen à se voir attribuer des licences
1999 UMTS.
2001 et 2002 Test des premiers réseaux UMTS en Europe à l’Ile de Man et à Monaco.
Octobre Premier déploiement commercial au Japon du système « FOMA », fondé
2001 pour l’essentiel sur les spécifications techniques de l’UMTS.
Mars Premiers déploiements commerciaux de l’UMTS en Europe
(Grande2003 Bretagne et Italie).
Tableau 2.1. Dates clés dans le développement de l’UMTS
En 1996, d’autres techniques d’accès multiples différentes des FMA1 et FMA2
furent étudiées par cinq groupes spécifiques de travail créés par l’ETSI. Les études
effectuées ont amené l’Europe à soumettre à l’UIT en juin 1998 une technologie
d’accès radio nommée UTRA avec ses deux modes FDD et TDD. Cette technologie
devait faire partie de l’IMT-2000. Les caractéristiques techniques de l’UTRA/FDD
et de l’UTRA/TDD étaient dérivées respectivement de celles du FMA2 et de celles
de la variante TDMA/CDMA du FMA1.
Les travaux de standardisation du système UMTS effectués au sein de l’ETSI
jusqu’à la fin de l’année 1998 se faisaient déjà en collaboration avec des industriels 48 UMTS
japonais et américains. Il paraissait donc nécessaire de poursuivre cette collaboration
dans un cadre de standardisation plus large. C’est ainsi que le 3GPP (Third
Generation Partnership Project) a été créé (voir chapitre 1). Ce projet a vu le jour
en décembre 1998 et a rassemblé les organismes de standardisation européen,
japonais, américain et sud-coréen. Courant 1999, la Chine est venue rejoindre cette
assemblée. L’objectif était toujours la création d’un système cellulaire de troisième
génération utilisant la technologie CDMA large bande et permettant
l’interopérabilité avec le GSM et ses évolutions : GPRS et EDGE.
2.4. Description générale de l’architecture d’un réseau UMTS
Lorsque l’on fait allusion à un réseau UMTS, on met souvent en avant ses
performances radio, et cela en raison de la définition de la toute nouvelle
technologie d’accès radio qui sera privilégiée dans un premier temps : l’UTRA.
Cependant, en dehors de l’UTRA et des éléments nécessaires pour la mettre en
œuvre, il existe un vaste ensemble d’équipements non liés à l’accès radio qui
remplissent un rôle fonctionnel bien défini. Le résultat est un réseau de services
mobiles relativement complexe dont l’objectif final est de permettre aux abonnés
d’accéder aux services auxquels ils ont souscrit.
Un réseau UMTS repose sur une architecture flexible et modulaire. En théorie,
cette architecture n’est ni associée à une technique d’accès radio en particulier, ni à
un ensemble prédéfini de services. Ces deux postulats assurent sa compatibilité avec
d’autres réseaux mobiles de deuxième et de troisième génération et garantissent, en
même temps, son évolution – l’architecture peut être adaptée en fonction des besoins
des opérateurs de télécommunications.
L’architecture générale d’un réseau UMTS est modélisée de deux points de vue :
l’un physique et l’autre fonctionnel. Du point de vue physique, on utilise le concept
de « domaine » pour parler des équipements qui composent le réseau et la façon
dont ils sont délimités. Du point de vue fonctionnel, on parle de « strate » afin
d’identifier les protocoles mis en œuvre dans ces « domaines » pour qu’ils puissent
communiquer entre eux.
Trois domaines composent l’architecture d’un réseau UMTS (voir figure 2.1) :
celui de l’équipement usager (UE pour User Equipment), celui du réseau d’accès
radio « universel » (UTRAN pour Universal Terrestrial Radio Access Network) et
celui du réseau cœur. Les domaines du réseau d’accès et du réseau cœur constituent Architecture des réseaux UMTS 49
le domaine de l’infrastructure. Chaque domaine remplit une fonction bien précise
dans le réseau – des fonctions qui sont délimitées par les points de référence « Uu »
5et « Iu », lesquels font aussi office d’interface .
Uu Iu
UE
UTRAN Réseau cœur
Domaine du réseau Domaine du
d’accès réseau cœur
Domaine de Domaine de
l’l’ééquiquipepemmeenntt us usaaggeerr l’l’iinnffrraassttrrucuctuturree

Figure 2.1. Vue d’ensemble des trois grands domaines
qui composent l’architecture d’un réseau UMTS
2.4.1. Domaine de l’équipement usager
Le domaine de l’équipement usager (UE) comprend tous les équipements
terminaux aussi variés soient-ils. L’UE constitue le vecteur qui permet à l’abonné
d’accéder à l’infrastructure et donc à ses services par le biais de l’interface radio
« Uu ». Le domaine de l’équipement usager peut encore être scindé en deux
domaines : celui de l’équipement mobile (ME pour Mobile Equipment) et celui du
module d’identité des services de l’abonné ou USIM (Universal Subscriber Identity



5. Une interface est la limite commune à deux systèmes permettant l’échange de messages
entre ceux-ci grâce à un ensemble de protocoles.
50 UMTS
Module). L’équipement usager et les éléments qui le composent sont étudiés en
détail dans le chapitre 3.
2.4.2. Domaine de l’infrastructure
Le domaine de l’infrastructure comprend lui-même deux domaines : celui du
réseau d’accès et celui du réseau cœur. Ce partage des tâches distingue les fonctions
propres à l’accès, c’est-à-dire les fonctions permettant d’acheminer les informations
(trafic de données et trafic de signalisation) depuis l’utilisateur jusqu’au réseau
cœur, et celles qui concernent, par exemple, la gestion des appels, celle de
l’itinérance, l’authentification de l’abonné, la gestion des services qu’il a souscrit,
etc. Cela correspond bien à la vision « modulaire » pour laquelle l’UMTS a opté.
Suivant cette approche, des réseaux d’accès radio autres que l’UTRAN (GERAN,
DECT, HIPERLAN, etc.) peuvent, en théorie, être reliés à un réseau cœur commun.
Domaine du réseau d’accès
L’UTRAN fournit à l’UE les ressources radio et les mécanismes nécessaires
pour accéder au réseau cœur. C’est l’UTRAN qui contrôle les fonctions liées à
l’accès au réseau et qui alloue ou retire les Radio Bearers qui seront étudiés plus
loin dans ce chapitre. L’UTRAN peut faire appel aux technologies UTRA/FDD
et/ou UTRA/TDD au niveau de son interface radio. Le chapitre 5 de cet ouvrage est
consacré à l’étude de l’UTRAN.
Domaine du réseau cœur
Le réseau cœur regroupe l’ensemble des équipements assurant les fonctions
telles que le contrôle des appels (établissement, fin, modification), le contrôle de la
sécurité (authentification, intégrité, etc.), la gestion de l’itinérance, la facturation, la
communication avec les réseaux externes, etc. C’est lui qui alloue les Radio Access
Bearers décrits plus loin dans ce chapitre. Les éléments qui composent le réseau
cœur UMTS sont analysés en détail dans le chapitre 4.
2.5. Evolution de l’architecture d’un réseau GSM vers l’UMTS
Si les opérateurs de télécommunications ont souhaité faire évoluer les réseaux
GSM vers l’UMTS, c’est qu’ils entendaient offrir des services plus innovateurs et
avaient besoin d’accroître la capacité pour desservir de plus en plus d’abonnés.
Les premiers déploiements de réseaux GSM datent du début des années 1990.
Un certain nombre de téléservices, dont la téléphonie et la télécopie, ont été alors
identifiés et normalisés. Des services supports permettant la transmission de données Architecture des réseaux UMTS 51
jusqu'à un débit maximum de 14,4 kbps ont également été définis. Le choix de
services supplémentaires était tout de même assez restreint.
La phase 2 du GSM a vu le jour dans la première moitié des années 1990 - les
réseaux déployés pendant cette phase sont encore opérationnels. Elle se caractérise
par l’introduction de nouveaux services supplémentaires comparables à ceux
proposés par les réseaux numériques à intégration de services (RNIS). Les
spécifications techniques de la phase 2+ du GSM ont démarré en 1996, en même
temps que les activités de standardisation de l’UMTS au sein de l’ETSI SMG2.
2.5.1. Architecture d’un réseau GSM dans ses débuts commerciaux
L’architecture d’un réseau GSM de phase 1 et de phase 2 est schématisée dans la
figure 2.2. C’est une architecture qui est optimisée pour proposer des services à
commutation de circuits et, plus particulièrement, des services de transmission de
voix. Elle est constituée de trois sous-systèmes : le sous-système d’accès radio (BSS
pour Base Station Sub-System), le sous-système de commutation et d’acheminement
(NSS pour Network and Switching Sub-System) et le sous-système d’exploitation et
maintenance (OSS pour Operations Support Sub-system).
BSSBTBTSS
NSSNSSAbAbiissMSMS
AABSBSCCUmUm RTRTCC
RTC, RNIS, GMSCME MSC/TRAU PLMN, etc.
VLR
D CSIM-ME FBSS
BTS H
Abis
HLR AuCEIRSIM BSC
TRAU
SigSignnalialissatationion
SSiiggnnalisalisatioation et don et donnnnéesées
Figure 2.2. Architecture simplifiée d’un réseau GSM des phases 1 et 2
Le BSS comprend les émetteurs et les récepteurs radio (BTS pour Base
Transceiver Station) et les contrôleurs de station de base (BSC pour Base Station
Controller). Le transcodeur (TRAU pour Transcoder and Rate Adapter Unit) est
également localisé dans le BSS. Le TRAU permet de passer du codage GSM vers le
codage MIC de la parole (modulation par impulsion et codage) et vice versa.
Le NSS peut être considéré comme l’ancêtre du domaine à commutation de
circuits du réseau cœur UMTS. Le NSS regroupe l’ensemble des fonctions qui
permettent de gérer les appels sortants et entrants ainsi que la mobilité. 52 UMTS
L’OSS est constitué de centres d’opération et de maintenance (OMC pour
Operation and Maintenance Centre) et du centre de gestion du réseau (NMC pour
Network Management Centre). Le NMC est chargé de l’administration de
l’ensemble du réseau, tandis que l’OMC effectue une supervision plus localisée. Ces
deux centres ont pour but la gestion à distance du fonctionnement global du réseau.
La station mobile (MS pour Mobile Station) est constituée de l’équipement
mobile (ME pour Mobile Equipment) et de la carte SIM (Subscriber Identity
Module), comme l’illustre la figure 2.2. Dans un réseau GSM, ces deux éléments
suffisent à l’abonné pour accéder aux services auxquels il a souscrit.
2.5.2. Architecture d’un réseau GSM Phase 2+
Dans sa phase 2+, le GSM s’est enrichi avec l’offre de nouveaux téléservices tels
que le service d’appel en groupe (VGCS pour Voice Group Call Service), le service
de voix en diffusion (VBS pour Voice Broadcast Service) et le service
supplémentaire de priorité d’appel et de préemption de ressources (eMLPP pour
Enhanced Multi-Level Precedence and Preemption) (voir chapitre 3). L’introduction
des codeurs de parole EFR (Enhanced Full Rate) et AMR (Adaptive Multi-Rate)
témoigne des améliorations accomplies dans la qualité d’écoute (voir par exemple
[LAG 00]).
Le concept VHE (Virtual Home Environment) a également fait son apparition
dans la phase 2+. Ce concept, décrit dans le chapitre 3, doit permettre à un abonné
d’avoir accès aux services auxquels il a souscrit en bénéficiant des mêmes
fonctionnalités et de la même présentation, indépendamment de sa position
géographique et du réseau de service qui l’accueille. Le concept VHE fait appel aux
outils normalisés SAT (SIM Application Toolkit), MexE (Mobile Station Application
Execution Environment) et CAMEL (Customised Application for Mobile network
Enhanced Logic) qui permettront aux opérateurs de personnaliser leur offre et
d’accélérer la création de nouveaux services.
La phase 2+ est aussi celle à laquelle de nouvelles technologies telles que le
HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Data), le GPRS (General Packet Radio
Service) et EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) ont vu le jour.
Le GPRS représente sans doute la phase la plus importante dans l’évolution du
réseau GSM vers l’UMTS. Il apporte au réseau GSM la capacité d’offrir des
services à commutation de paquets avec des débits allant, en théorie, jusqu’à
171,2 kbps, sachant que le débit de transmission peut être gradué à la demande. Le Architecture des réseaux UMTS 53
GPRS offre également la possibilité d’effectuer une tarification en fonction du
volume d’information transmis et non de la durée de la connexion, comme c’est le
cas du service de voix. Enfin, il assure l’interconnexion avec des réseaux externes de
type Internet ou X.25. La figure 2.3 présente l’architecture d’un réseau GSM
Phase 2+.
Les éléments du « réseau fédérateur GPRS » ont servi de référence dans la
définition du domaine à commutation de paquets du réseau cœur UMTS. Ils seront
décrits dans le chapitre 4.
Réseau cœur GSM Phase 2+BSSBTS
Abis RTCA RTC, RNIS,
GMSCMSC/BSC PLMN, etc.
VLRMS
PCU DD CCUmUm TRATRAUU FF
MEME HH
Gs HLR AuCEIR
SIM-ME BSS Gf GcBTS
GrAbis
Internet, SIM GGSNSGSNBSC X.25, etc.
GnGb
PCU
TRAU
SignaSignallisaisationtion
SiSignagnalilisasattiion eon et donnét donnéeess
Figure 2.3. Architecture d’un réseau GSM Phase 2+. Le réseau cœur GSM
est considéré ici comme le regroupement fonctionnel des éléments
qui constituent le NSS GSM et le réseau fédérateur GPRS
2.5.3. Architecture de référence du réseau UMTS
Dans l’évolution de l’architecture de l’UMTS, une approche par phases,
similaire à celle suivie pour le GSM, est envisagée. C’est sur l’ensemble des
spécifications techniques de la Release 99 que la première phase de l’UMTS,
appelée naturellement « phase 1 », sera fondée. La consigne est de conserver le
maximum de compatibilité technique avec l’infrastructure déployée pour la
« phase 2+ » du GSM. Un même réseau UMTS pourra s’interconnecter à la fois
avec des réseaux par commutation de circuits et avec des réseaux par commutation
de paquets permettant l’accès respectivement à des réseaux du type RNIS et à
Internet.