ETUDE DE LA FIABILITE DES SYSTEMES CONVERGENTS DE TELECOMMUNICATION ET LEURS APPLICATION

L’évolution des réseaux mobiles

Les systèmes de communications mobiles ont considérablement évolué durant ces dernières années. Plusieurs systèmes ou réseaux cellulaires ont été déployés pour repondre à la demande de la clientèle. Un réseau peut être vu comme un ensemble de ressources mises en place pour offrir un ensemble de services. Le service téléphonique et la transmission des données constituent les deux principaux services rendus par les réseaux mobiles. Les évolutions technologiques ont augmenté progressivement les capacités et les fonctionnalités des ressources réseaux afin de garantir lřoffre des services aux usagers. Lřaugmentation des débits de la transmission des données améliore encore lřaccessibilité aux services de lřInternet. La migration des services de lřInternet vers les réseaux mobiles, constitue un enjeu majeur de recherche en télécommunications. La qualité de service (QoS) offerte aux utilisateurs mobiles sřaméliore dřun système à lřautre. Les différentes étapes dřévolution des réseaux mobiles vont conduire au standard des réseaux NGN qui est lřIMS. L’IMS offre aux opérateurs la possibilité de construire une infrastructure de services ouverte basée sur IP avec un déploiement facile de nouveaux services, et sur le protocole SIP (Session Initiation Protocol) pour le contrôle de session. LřIMS constitue le socle des systèmes convergents et son importance dans les réseaux mobiles, fixes et Internet est démontrée dans les chapitres qui suivent. Les réseaux mobiles ont connu plusieurs évolutions ; nous avons enregistrés six (6) étapes dřévolutions que nous traitons dans le cadre de cette thèse. Enfin, nous terminerons chaque étape par une synthèse.

Première étape de l’évolution de réseaux mobiles

Cette première étape de réseaux mobiles est marquée par le réseau GSM (Global System for Mobile communications), premier système de téléphonie mobile, répondant aux exigences dřinterconnexion et de mobilité du monde contemporain. Il offre des services de données avec de la messagerie texte (SMS). De plus, le GSM ne propose quřun débit de 9,6 kbits/s. Il permet de gérer les communications des réseaux de mobiles PLMN (Public Land Mobile Network) et réseaux fixes téléphoniques PSTN (Public Switched Telephone Network). Il est constitué dans son architecture de base (figure 1.1) : dřun réseau dřaccès BSS (Base Station Chapitre 1 : Lřévolution des réseaux mobiles 7 Sub-system), dřun cœur de réseau NSS (Network Sub-System) et dřun mobile MS (Mobile Station). Figure 1.1. Achitecture de base du réseau GSM Ce réseau se raccorde aux PSTN et aux PLMN dřautres opérateurs grâce aux passerelles ; elles sont aussi spécifiées dans le standard GSM. Lřarchitecture physique détaillée du réseau GSM est décrite à la figure 1.2 ci-dessous [1] 

Les composants de l’architecture physique détaillée du réseau GSM

Le réseau de mobiles GSM est constitué de deux sous-systèmes : le BSS et le NSS (figure 1.2). Ils sont décrits ci-dessous. Figure 1.2. Composants de l’architecture physique détaillée du réseau GSM Chapitre 1 : Lřévolution des réseaux mobiles 

Le sous-système radio BSS (Base Station Sub-System)

Il assure la transmission radioélectrique avec le mobile, gère les ressources radioélectriques et permet la mobilité du mobile. Il est constitué de :  Terminaux mobiles : ce sont des supports utilisés pour la voix et les données ou lřéchange de message SMS. Chaque terminal a une carte SIM (Subscriber Identity Module) avec un numéro IMSI (International Mobile Subscriber Identity). Un numéro IMEI unique (International Mobile Equipment Identity) attribué par le constructeur.  Stations radioélectriques BTS (Base Transceiver Station) : ce sont des points dřaccès au réseau. Un BTS est associé à une cellule et est située au centre de celle-ci.  Contrôleurs de stations radioélectriques BSC (Base Station Controller) : ils gèrent les ressources radio dřune ou de plusieurs BTS.  Équipements de transcodage TRAU (Transcoder/Rate Adaptor Unit) : il réalise le transcodage de la parole et permet la conversion du format G711 à 64 kbit/s. Pour le service de transmission de données, le TRAU effectue la conversion de rythme (< 14 400 kbit/s) afin de lřadapter au circuit à 64 kbit/s commuté par le NSS [1] [3]. Les entités du sous-système NSS sont décrites dans le paragraphe qui suit. 

Le sous-système réseau NSS (Network Sub-System)

Il sřoccupe de lřinterconnexion avec les réseaux fixes, publics ou privés, auxquels est rattaché le réseau mobile. Le NSS est constitué des entités suivantes :  Commutateurs téléphoniques MSC (Mobile-services Switching Center) : ils font la gestion des appels et de tout ce qui est lié à lřidentité des abonnés, à leur enregistrement et à leur localisation. Il existe des passerelles appelées GMSC (Gateway MSC), assurant lřinterface avec le réseau téléphonique fixe PSTN ou le réseau des mobiles PLMN. Le TSC (Tandem Switching Center) est un commutateur temporel à 64 kbits/s, effectuant le transit entre deux MSC.  Base de données HLR (Home Location Register) : elle contient les informations sur les abonnés dřune région desservie par le MSC et possède leur position courante. Les caractéristiques enregistrées de chaque abonné sont les suivantes : l’identité IMSI, le numéro dřannuaire MSISDN (Mobile Station ISDN Number) et le profil de lřabonnement ou lřautorisation dřappel international.  VLR (Visitor Location Register) : une base de données contenant temporairement des informations sur les abonnés qui visitent une région desservie par un MSC autre que celui auquel ils sont abonnés. Ces informations proviennent du HLR auquel lřabonné est enregistré et indiquent les services auxquels lřabonné a droit. Ce transfert dřinformations se fait une seule fois et nřest effacé que lorsque lřabonné ferme son appareil ou quitte la région du MSC courant. Il est à noter que le VLR est toujours associé à un MSC.  AuC (Authentication Center) : elle est une base de données protégée qui contient une copie de la clé secrète inscrite sur la SIM de chaque abonné. Cette clé est utilisée pour vérifier lřauthenticité de lřabonné et lřencryptage des données envoyées.  EIR (Equipment Identity Register) : elle est une base de données qui contient la liste de tous les terminaux validés (IMEI). Elle est consultée lors des demandes de connexion dřun abonné et permet de refuser lřaccès au réseau à un terminal qui a été déclaré perdu ou volé. A cela, nous ajoutons un sous-système dřexploitation et maintenance OSS (Operating SubSystem) qui permet à lřexploitant dřadministrer le réseau et dřen effectuer la maintenance. La couverture du territoire est assurée par le réseau de mobiles GSM. Le réseau doit enregistrer la zone de localisation LAI (Location Area Identification) où se situe le mobile, appelée itinérance ou roaming. Le mobile peut passer dřune cellule à une autre, sa liaison avec le réseau doit être maintenue : c’est la notion de mobilité ou de handhover 

Synthèse de l’étape 

Le réseau GSM a permis de rendre les services de la voix, des données avec un débit de 9,6 kbits/s. Néanmoins, les limites les plus connues de cette première étape sont les suivantes : la plus importante est dřordre capacitaire, impliquant le rejet dřappels aux heures les plus chargées. Et la seconde est que le réseau GSM utilise un cœur de réseau à commutation par circuit où le service des données est particulièrement lent. Ainsi, les réseaux à commutation de circuits sont inefficaces pour gérer les transmissions de données fréquentes. Pour repousser toutes ces limites et développer des services Internet mobile, des efforts ont été consentis pour améliorer le système GSM. 

Deuxième étape de l’évolution de réseaux mobiles

Avec le développement de lřinternet, le réseau à commutation par paquets, les terminaux mobiles reposant sur les services GSM ne pouvaient y accéder qu’avec de faibles débits (9,6 kbit/s) utilisant la commutation en mode circuit, capacité en débits limitée. Une entité nouvelle sřest rajoutée dans lřarchitecture de base du GSM de la figure 1.1 : cřest le soussystème GSS (GPRS Sub-System) (figure 1.3). Ainsi, les trois (3) sous-systèmes : BSS, NSS et GSS constituent le réseau GPRS (General Packet Radio Service), réseau qui utilise la commutation par paquets pour le monde de lřInternet mobile. Figure 1.3. Réseau GPRS, l’évolution EDGE

Le réseau GPRS (General Packet Radio Service)

Le GPRS sřintègre convenablement au GSM. Ils ont en commun plusieurs entités représentées sur la figure 1.4. Figure 1.4. Réseau GPRS, couche supplémentaire au GSM . Lřarchitecture physique détaillée de la figure 1.5 montre bien le GSS rajouté et est constitué des entités suivantes : le SGSN (Service GPRS Support Node) et le GGSN (Gateway GPRS Support Node) qui constituent le réseau GSS et qui assurent le routage des paquets. La fonction PCU (Packet Control Unit) introduite dans le BSS qui assure lřattribution de la ressource radioélectrique au mobile et lřinterface avec le SGSN.  SGSN : cřest un serveur dřaccès au service GPRS (équivalent au MSC), gère les MS (Mobile Station) en délivrant des paquets ;  GGSN : cřest un routeur connectant le réseau GPRS aux réseaux externes IP ou X25. Il sert de passerelle entre les SGSN et les autres réseaux de données ;  PCU : il gère les fonctions de couches basses, les protocoles RLC (Radio Link Control), MAC (Medium Access Control), le contrôle de puissance, lřadaptation des débits, …. Il gère aussi les fonctions de transmissions et dřacquittements [1]. Figure 1.5. Architecture physique détaillée du réseau GPRS Dans le but dřaccroitre les débits, le réseau dřaccès GSM est connecté au cœur de réseau GPRS. Cette nouvelle étape améliore la prise en charge des services de données. Avec le service GPRS, ces données sont transmises par paquets avec un débit élevé (jusqu’à 171,2 kbit/s quand les conditions de propagations sont optimales), ce qui diminue le temps de téléchargement pour les pages Web. Cependant, les débits uplink restaient faibles au départ du fait de la limitation des mobiles à un time slot, bien quřune certaine volonté des opérateurs a permis dřobtenir des terminaux capables notamment de transmettre jusquřà 4TS (Time Slot) Chapitre 1 : Lřévolution des réseaux mobiles 12 sur la liaison montante. Avec le GPRS, le réseau sřadapte à la communication de paquets de données. LřEDGE (Enhanced Data for GSM Evolution) suit le GPRS et renouvelle lřinterface radio pour offrir des débits plus élevés. Ainsi, GSM offre un débit au maximum égal à 14,4 kbit/s. Le service de transmission de données en mode circuit nommé HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), peut être utilisé par un seul utilisateur lui permettant dřoccuper jusquřà quatre (4) canaux logiques TCH (Traffic Channel) dřune porteuse radioélectrique. Lřutilisateur peut disposer dřun débit allant jusquřà 57,6 kbit/s (4 x 14,4 kbit/s). Ce service de données est compatible avec le débit 64 kbit/s commuté par MSC (Mobile-services Switching Center). Le GPRS et EDGE sont de standard de transition entre le GSM et lřUMTS

Le réseau EDGE et son évolution

Le réseau EDGE (Enhanced Data for Global Evolution) est introduit dans les réseaux GSM et GPRS pour offrir soit un service en mode circuit ECSD (Enhanced Circuit Switch Data), soit un service en mode paquet EGPRS (Enhanced General Packet Radio Service) [1] [3]. Le standard EDGE utilise une modulation 8-PSK (Phase Shift Keying à 8 états de phase) différente de celle du GSM. Lřobjectif de ce réseau EDGE est lřaugmentation du débit sur lřinterface radioélectrique en conservant la même largeur du canal radioélectrique (200 KHz). Dans la théorie, lřEDGE permet d’atteindre des débits allant jusquřà 384 kbit/s pour les stations fixes (piétons et véhicules lents) et jusquřà 144 kbit/s pour les stations mobiles (véhicules rapides) [1]. LřEDGE est une extension du réseau GPRS pour le service Internet avec un débit élevé, meilleur quřen GSM. Il est aussi important de parler de la qualité de service. 

La qualité de service

La qualité de service associée aux services déployés, comprend plusieurs critères comme le taux de perte et le délai (tableau 1.1 et tableau 1.2). La situation de congestion du réseau est gérée en écartant le trafic le moins prioritaire grâce aux trois classes de service offertes. Les niveaux de taux de perte correspondant à des garanties différentes sur la probabilité de perte, de duplication et de séquencement des données. Différentes classes de délai sont aussi définies en fonction de la taille des paquets. La probabilité de perte fait allusion au temps maximal (dépend des protocoles utilisés : TCP/IP) de séjour du paquet dans le réseau GPRS, temps au-delà duquel le paquet est supprimé. Les applications de classe 1 ne doivent généralement avoir aucune contrainte de temps réel, car elles nřacceptent aucune erreur. En revanche, les applications tolérant des erreurs peuvent être de classe 3 et avoir des contraintes temps réel. Quatre classes de délai sont définies. Dans un premier temps, les réseaux GPRS offrent seulement le service de classe 4 (best effort), qui correspond à la classe assurée par les réseaux IP actuels. Le délai comprend le temps dřaccès au canal ŕ niveau RLC-MAC ŕ , le temps de transmission sur lřinterface air, le temps de transit dans le réseau GPRS ŕ entre les différents nœuds du réseau ŕ mais ne comprend pas les délais dus aux autres réseaux. Le débit moyen inclut les périodes de silence pour les services dont le trafic est sporadique. Les classes de débit moyen sont recensées au tableau 1.2.