La 4G l’interopérabilité entre les réseaux

Les principes de la gestion de mobilité dans les réseaux sans fil et mobiles

L’objectif principal de la gestion de mobilité est de maintenir des informations sur la position des terminaux mobiles et de gérer leurs connexions lorsqu’ils se déplacent dans les zones de couvertures. La gestion de la mobilité inclut deux procédures [28] : la gestion de la localisation et la gestion des handovers. La gestion de la localisation permet de fournir au réseau des informations sur la position courante d’un terminal mobile. Cette fonctionnalité comprend : i) le processus d’inscription de la localisation, où le terminal mobile est authentifié et sa position est La 4G l’interopérabilité entre les réseaux 28 La 4G : l’interopérabilité entre les réseaux mise à jour, ii) le paging, où la position du terminal mobile est recherchée pendant l’initialisation d’une nouvelle session. Le handover est le processus par lequel une communication établie est maintenue alors que le terminal mobile se déplace à travers le réseau cellulaire ; elle implique que la communication puisse passer d’un canal physique à un autre avec une coupure sans conséquences (en moyenne < 100 ms pour une communication voix dans le GSM). Dans un réseau cellulaire, la station de base (BS : Base Station) constitue le point d’accès de toutes les communications. Elle remplit le rôle de serveur pour les clients se trouvant dans sa cellule. Lorsqu’un utilisateur mobile quitte sa cellule pour entrer dans une autre cellule, il peut être amené à s’approcher d’une BS voisine. Pour poursuivre sa communication, cet utilisateur se voit contraint de changer de point d’accès. Il effectue alors ce que l’on appelle un transfert intercellulaire, ou handover ou encore handoff, qui consiste à demander à un gestionnaire du réseau, ou commutateur, de mettre en place la signalisation nécessaire au transfert. Ce type du handover se passe entre deux stations de bases qui utilisent la même technologie sans fil. Le processus du handover peut être devisé en trois étapes : initiation, décision et exécution [29]. La phase d’initiation du handover est déterminée par des conditions spécifiques comme la qualité du signal, la disponibilité d’un point d’accès alternatif, etc. La décision de s’attacher à un nouveau point d’accès peut être prise de trois manières différentes : un handover contrôlé par le réseau, un handover assisté par le terminal mobile et un handover contrôlé par le terminal mobile [30, 31]. Dans les handovers contrôlés par le réseau, c’est le réseau qui décide selon les mesures effectuées sur les signaux radio envoyés par les terminaux mobiles. Puisque cette solution est complètement centralisée, elle nécessite une puissance considérable de calcul. Elle est aussi pénalisée par l’absence d’une connaissance sur les conditions récentes de chaque terminal. Afin d’épargner le réseau de la complexité de la tâche, le handover assisté par le terminal mobile permet au terminal d’effectuer les mesures et au réseau de prendre les décisions. Dans un handover contrôlé par le terminal mobile, le terminal possède l’autorité et l’intelligence pour décider selon ses propres mesures. Cette solution a l’avantage d’être distribuée mais elle a des impacts sur la stabilité et la sécurité du réseau. L’exécution d’un handover exige un échange de signalisation pour rétablir la communication et ré-acheminer les paquets de données via le nouveau point d’attachement. 3.2 Une structure hiérarchique des réseaux sans fil Les technologies actuelles des réseaux sans fils varient fortement selon la bande passante offerte, le temps de latence, la fréquence utilisée, les méthodes d’accès, la puissance de consommation, la mobilité, etc. En tenant compte de l’hétérogénéité, l’ensemble de ces technologies peut être divisé en deux catégories : (i) ceux qui offrent des services avec un faible débit mais sur une large zone géographique ; (ii) ceux qui fournissent des services avec un débit important en couvrant des petits secteurs. Aucune technologie sans fil ne peut garantir toute seule un débit adaptable pour chaque application, nombreux services de donnée avec une connexion sans coupures, un nombre important d’utilisateurs sur une large zone de déplacement et une latence minimale lors de changement des cellules. Un terminal mobile équipé d’une interface WLAN se trouve dans un milieu restreint en taille (entreprise ou environnement personnel), il ne peut alors pas répondre aux besoins de bande passante de certaines applications dans le cas où il possède une interface WWAN. Une solution possible consiste à faire coexister et combiner des technologies différentes de 3.2 Une structure hiérarchique des réseaux sans fil 29 réseaux sans fil pour obtenir une meilleure couverture et si possible un choix dynamique de réseau selon le type d’application. Dans ce cas, le terminal mobile est doté de plusieurs interfaces lui permettant de se déplacer librement et d’accéder aux infrastructures des réseaux filaires à travers des réseaux sans fil alternatifs. Prenons l’exemple d’un utilisateur possédant un ordinateur potable (laptop) ou un PDA (Assistant numérique personnel) connecté à Internet dans son bureau via une technologie infrarouge (permet de relier deux dispositifs dotés de ports à infrarouge). Lorsqu’il quitte son bureau avec sa machine, il se trouve dans le couloir de son entreprise avec une connexion Wi-Fi. Une fois que ce même utilisateur se déplace en dors de son entreprise, il continue à se connecter via une technologie WWAN (UMTS par exemple). Lorsqu’il rentre chez lui, il trouve une connexion Wi-Fi, etc. Cette combinaison des interfaces sans fil conduit à une hiérarchie appelée structure hiérarchisée des réseaux sans fil (OWN : Overlay Wireless Network structure). La figure 3.1 montre un exemple d’une telle structure. Les niveaux les plus bas permettent une couverture limitée en terme de portée mais des débits importants. Les niveaux les plus hauts couvrent un nombre important d’utilisateurs sur une large zone géographique mais limitée en bande passante.

Un exemple d’intégration : 3G/WLAN

La conception et l’intégration 3G/WALAN relèvent beaucoup de défis techniques. Comme l’Authentification, l’Autorisation et l’Accounting (AAA), la sécurité globale, la Qualité de Service (QoS) et les handovers. Malgré les progrès réalisés dans la standardisation de l’interconnexion WLAN/UMTS [32,33], la plupart des efforts ont été concentrés sur l’AAA plutôt que sur la gestion de mobilité et de QoS. L’intégration devrait être faite par étapes. L’ensemble des étapes à suivre pour d’arriver à un schéma d’interconnexion idéal a été proposé par 3GPP (voir [33]). Cette proposition est basée sur les services demandés par les utilisateurs. À cet égard, six scénarios ont été spécifiés, chacun représente un type différent d’interconnexion et un niveau de satisfaction de l’utilisateur. Les scénarios sont : i) scénario 1, permet d’avoir seulement des clients et une facturation commune, ii) scénario 2, prévoit le contrôle d’accès basé sur le 3GPP, iii) scénario 3, permet l’accès aux services de 3GPP PSS (Packet-Switched Streaming) à partir de WLANs, iv) scénario 4, assure la continuité de service après l’exécution d’un handover inter-système, v) scénario 5, promet la fonctionnalité sans couture dans le scénario précédent, et enfin, vi) scénraio 6, permet d’accéder aux services du 3GPP CS (Circuit Switching) à partir de WLANs. En se basant sur les scénarios ci-dessus, un certain nombre de propositions ont visé un certain degré d’intégration sans couture. Certaines d’entre elles se focalisent sur l’architecture générale et utilisent l’IP Mobile comme outil de base pour l’intégration des systèmes. Ceci permet une simple mise en œuvre avec des modifications légères aux composantes existantes de systèmes, mais en contre partie, un temps de latence de handover considérable. Ces propositions sont considérées comme des solutions faiblement couplés [32]. Bien qu’elles ne permettent pas d’accéder aux services 3GPP PS (Packet Switching), par exemple : les services WAP et MMS, à partir de WLANs, elles assurent la continuité des services (scénario 4), mais sans la fonctionnalité sans couture à tout moment (scénario 5). Les efforts de recherche dans cette catégorie de solutions se concentrent sur la conception des algorithmes d’initiation/décision pour les handovers afin d’offrir la meilleure  qualité aux utilisateurs avec une utilisation efficace des ressources. Un autre groupe de propositions essaye d’intégrer UMTS et WLAN d’une manière plus serrée. Dans cette approche, le point d’interconnexion des deux technologies se situe soit dans le réseau cœur de l’UMTS (CN), soit dans le réseau d’accès (AN). Par conséquent, l’effort dans cette catégorie se focalise sur la résolution des problèmes techniques engendrés par les extensions ajoutées aux standards pour assurer l’interopérabilité entre l’UMTS et WLAN. La mobilité rapide et les fonctionnalités sans couture (scénario 5) sont les principales cibles de ces propositions sans oublier la complexité due aux améliorations introduites sur les composantes existantes. Ce groupe inclut les architectures fortement couplées [34–36] et très fortement couplées..