Architecture Protocolairede l’UMTS
(Universal Mobile Telecom System)
André-Luc BEYLOTENSEEIHT
Département Télécommunications et Réseaux
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PLAN GENERALn Introduction
n Architecture Protocolaire et Interfaces
n Réseau d ’accès radio : UTRANu Universal (/UMTS) Terrestrial Radio Access Network
n Réseau cœur : CN (Core Network)
n Evolutions
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UMTSn Constat :
u GSM : téléphonieu GPRS : transfert de données à débit assez faibleu difficulté d’intégrer de nouveaux services/multimédia/QoSu Atteindre des débits supérieurs : 64kb/s- 144 kb/s - 2 Mb/s
n Caractéristiques essentielles :u Norme mondiale : IMT-2000 de l ’ITU-T, 3GPP
F Européens + Japonais + Coréens + Chinoisu Couche physique de l ’Interface Air profondément modifiéeu Protocoles du réseau d’accès (UTRAN) redéfinisu Boîte à outils pour développer de nouveaux servicesu « Améliorations » des architectures protocolaires
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QoS Historique et Motivationn GSM propose 2 services de transferts de données :
Transparent et non-transparentn Profils de QoS introduits dans le GPRS rel'97
u classe de fiabilité, classe de délai, classe de débit moyen,classe de débit crête
n Amélioration des mécanismes de QoS : UMTS/GPRSrel'99u plusieurs contextes/@ PDP
n Evolution rapide de l’Internetu grande variété d’applicationsu apparition de la QoS
n Volonté des Opérateursu différentiationu Introduction rapide de nouveaux services
•Conversational – ex : speech, video telephony, VoIP– Real time – Preserve time relation (variation) between information entities of the stream. – Conversational pattern (stringent and low delay)
• Streaming – ex : streaming audio and video– Real time – Preserve time relation (variation) between information entities of the stream
• Interactive – ex : web browsing– Best effort– Request response pattern– Preserve payload content
• Background – ex : background download of emails, ftp, sms– Best effort– Destination is not expecting the data within a certain time– Preserve payload content
UMTS Traffic Classes3GPP TS 23.107
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Paramètres de QoS et Applis
Yes/No
Yes/No/-
< 2048 kbps
<2048 kbps
<=1500 octets
<100 ms
5*10-2…10-6
10-2…10-5
1, 2, 3
Yes/No
Yes/No/-
< 2048 kbps
<2048 kbps
<=1500 octets
<250 ms
5*10-2…10-6
10-1…10-5
1, 2, 3
Yes/No
Yes/No/-
< 2048 kbps-overhead
<=1500 octets
4*10-3…6*10-8
10-3…10-6
1, 2, 3
1, 2, 3
Yes/No
Yes/No/-
< 2048 kbps-overhead
<=1500 octets
4*10-3…6*10-8
10-3…10-6
1, 2, 3
Conversationalclass
Streamingclass
Interactiveclass
Backgroundclass
Precedence class
Delay class
Reliability class
Peak throughput class
Mean throughput class
GPRSrel'97, '98
Delivery order
SDU formatinformation
Delivery oferroneous SDUs
Maximum bitrate
Guaranteed bitrate
Maximum SDU size
Transfer delay
Residual BER
SDU error ratio
Allocation/retentionpriority
Traffic handlingpriority
GPRS/UMTS rel'99, 4, 5
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VISION IMT2000
IMT-2000 The ITU vision of global wireless access
in the 21st century
Satellite
MacrocellMicrocell
UrbanIn-Building
Picocell
Global
Suburban
Basic TerminalPDA Terminal
Audio/Visual Terminal
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UMTS - Architecture Générale
Inter-PLMN Backbone Network
3G-SGSN3G-MSC
CS Domain
3G-GGSNPS Domain
Node B
RNC
RAN
UE
RNC : Radio Network ControllerUE : User Equipment
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Acronymes
GSM-GPRSBSC : Base Station Controller
MS : Mobile Station
BTS : Base Transceiver Station
MSC : Mobile-services Switching Center
BSS : Base Station Subsystem
GGSN : Gateway GPRS Support Node
SGSN : Serving GPRS Support Node
Interfaces :BTS-BSC : AbisBSC-MSC : ABSC-BSC : non définie
UMTSRNC : Radio Network Controller
UE : User Equipment
Node-B
U-MSC : UMTS - MSC
RNS : Radio Network Subsystem
3G-GGSN
3G-SGSN
Interfaces :NodeB-RNC : IubRNC-CN : IuRNC-RNC : Iur
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Modèle architecture de l’UMTS
UserEquipment UTRAN Core
NetworkUu Iu
Cu Uu IuUSIM Terminal RAN CN Réseau
Extérieur
Strate d’accès radio
Strate de service
Strate personnelle
Strate applicative
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Caractéristiques couche physiquen Méthode d ’accès CDMA : Code Division Multiple Access
u W-CDMA en FDD : Frequency Division DuplexF (sens montants et descendants séparés en fréquence)
u TD-CDMA en TDD : Time Division DuplexF (sens montants et descendants séparés dans le temps)
n Canaux de transport <=> Canaux physiques
CANAUX PHYSIQUESu Canaux dédiésu Communs : visibles couches supérieuresu Communs : uniquement couche physique
CANAUX DE TRANSPORTu Canal de transport dédié : DCHu Communs (cf. GSM)
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Fonctionnalités couche physiquen Ajout d’un CRCn Codage canaln plusieurs niveaux
u d ’adaptation de débitu de segmentationu de concaténation
n multiplexage des canaux de transportn entrelacement
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Soft Handover/Macro-diversité
Core Network (CN)
Radio NetworkControler
(RNC)
Iu
Node B
Iub
Node B Node B
Iub Iub
Radio NetworkControler
(RNC)
Iu
Node B
Iub
Node B Node B
Iub IubIur
UTRAN
UnitEquipment
UnitEquipment
UnitEquipment
UnitEquipment
Uu Uu Uu Uu Uu Uu
Possibilité de soft-handover (FDD) : Lien entre RNC + interface associée
Serving RNC
Drift RNC
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Couche 2 de l’UTRANn Canaux logiques :
u de trafic (point à point, multipoint DL)u de contrôle (diffusion, paging, sig dédiée, contrôle partagé)
n MACu mise en correspondance : canaux logiques <=> transportsu gère les priorités (sous l ’ordre de RRC)u collecte mesures volume de trafic + conditions de propag.u Plusieurs entités MAC
F MAC-b diffusionF MAC-c/sh : canaux partagésF MAC-d : canaux dédiés
u MAC-b : situé dans le node-B ; les autres dans le RNC
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Couche 2 de l’UTRANn RLC : Radio Link Control
u segmentation/réassemblageu concaténation/bourrageu détection des duplicationsu retransmissionu remise en ordreu cryptage
n 3 modes de fonctionnementu transparent : segmentation/réassemblageu non acquitté : + numérotation + détection d ’erreur pas de
repriseu acquitté : + retransmission sélective (cf. GPRS)
n Situé dans le RNC
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Couche 2/3 de l’UTRANn PDCP : Packet Data Convergence Protocol
u cf. SNDCP du GPRSu Plan-Uu indépendance couches sup. (pas dans la strate d’accès)u compression
n RRC : Radio Resource Controlleru pilote les autres couches, Plan-Cu Demande de connexion du mobile
F mise en place tuyau radio (Radio Access Bearer)F paramétré en fonction de la QoS (débit max, moyen, taux
d’erreur résiduel, taille des paquets …)F configuration des couches inférieures au vu des infos collectéesF plusieurs niveaux d’activité du mobile
n Situés dans le RNC
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Architecture de l’UTRANPlan de Contrôle
RRC
Plan Utilisateur
PDCP
Contrôle
PDCP
BMC
RLCRLC RLC
Contrôle
Con
trôl
e
RLCRLC
Con
trôl
e
MAC
PHY
Con
trôl
e
Con
trôl
e
RRC : Radio Resource Controller
PDCP Packet Data ConvergenceProtocolBMC Broadcast Multicast Control
Canaux Logiques
Canaux de Transport
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Interface Uu - Canaux logiques
PHY
MAC
RLC
RRC
PHY
UE Node-B SRNC
MAC
RLC
RRC
Canaux Logiques de donnéesCanaux de contrôle
PHY
MAC
RLC
PDCP
PHY
UE Node-B SRNC
MAC
RLC
PDCP
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Modèle générique des interfacesde l’UTRAN
Tuyau de données
Application
Couche Physique
Plan Utilisateurréseau de transport
Plan de Contrôledu réseau radio
Plan utilisateurdu réseau radio
CoucheRéseauRadio
Flux de données
CoucheRéseau deTransport
Tuyau de sig. Tuyau de sig.
Plan de commanderéseau de transport
ALCAP
ALCAP : Access Link Control Application Protocol
Plan Utilisateurréseau de transport
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Interface Iu-b
NodeBApplication Part
(NBAP)TransportLayer
Physical Layer
Radio NetworkControl Plane
Transport NetworkControl Plane
ATMAAL5
User Plane
SSCF-UNISSCOP
Q.2630.1
Q.2150.2
ALCAP
RadioNetwork
Layer
ATMAAL5
SSCF-UNISSCOP
Iub - FPs
ATMAAL2
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Interface Iu-r
Radio NetworkSubsystem Applic.
Part (RNSAP)
TransportNetwork
Layer
Physical Layer
Radio NetworkControl Plane
Transport NetworkControl Plane
ATMAAL5
User Plane
SSCF-NNISSCOP
Q.2630.1
MTP3-B
ALCAP
RadioNetwork
Layer
ATMAAL5
SSCF-NNISSCOP
Iur - FPs
ATMAAL2
SCCPMTP3-B
Q.2150.1
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Interface Iu-CS
Radio AccessNetwork Applic.Part (RANAP)
TransportNetwork
Layer
Physical Layer
Radio NetworkControl Plane
Transport NetworkControl Plane
ATMAAL5
User Plane
SSCF-NNISSCOP
Q.2630.1
MTP3-B
ALCAP
RadioNetwork
Layer
ATMAAL5
SSCF-NNISSCOP
Iu - UP ProtocolLayer
ATMAAL2
SCCPMTP3-B
Q.2150.1
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Interface Iu-PS
Radio AccessNetwork Applic.Part (RANAP)
TransportNetwork
Layer
Radio NetworkControl Plane
Transport NetworkControl Plane
ATMAAL5
User Plane
SSCF-NNISSCOP
RadioNetwork
LayerIu - UP Protocol
Layer
ATMAAL5
SCCPMTP3-B
UDPIP
GTP-U
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AAL2 dans l’UTRAN
PHY
ATM
AAL2
Iub FrameProtocols (Iub-FP)
GTP-U
IP
MAC
RLC
PHY
ATM
AAL2
Iub-FP
MAC
PHY
ATM
AAL2
Iur-FP
PHY
AAL2
ATM
Iub/Iur-FP
MAC
RLC
PHY
AAL2
ATM
AAL5
PHY
ATM
MSC SGSN
NodeB + UE Drift RNC Serving RNC
Core Network
Iub
Iub
Iur
Iu-CSIu-PS
UTRAN
data
speech
IuFP
Architecture Protocolaire de l’AAL2
COMMON PART SUBLAYER
SERVICE SPECIFICSEGMENTATION AND REASSEMBLY
SERVICE SPECIFICTRANSMISSION ERROR DETECTION
SERVICE SPECIFICASSURED DATA TRANSFER
CPS
SSSAR
SSTED
SSADTSERVICESPECIFIC
CONVERGENCESUBLAYER
(SSCS)ITU-T I.366.1
COMMON PARTSUBLAYER
ITU-T I.363.2
AAL2 = CPS + SSCS (éventuellement vide)
Start Field
PAD Field
CPS-PacketCPS-Packet CPS-Packet CPS-Packet CPS-Packet CPS-Packet
CPS-PDU
CPS-PDU
CPS-PDU
CPS-PDU
CPS-PDU
ATM-SDUCell
Header
ATM-PDU = Cell
Exemple de Multiplexage et de SegmentationAAL2
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Positionnement de l’AAL2
Medium AccessControl (MAC)
Layer
Radio Link Control(RLC) Layer
Radio PhysicalLayer
TransportChannels
LogicalChannels
Transport ChannelFrame Protocols
AAL2
AAL2SAP SAP SAP SAP
Transport Channel Transport Channel
Frame Protocol
SAP
ATMSAP
Frame Protocol
SAPAir Interface
UTRAN
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Plan U (vision globale)
L3CE
RLC
MAC
WCDMA/TD-CDMA
Relay
MAC
WCDMA/TD-CDMA
GTP
L1 L1
L2
RLC
GTP GTP
UDP
IP
L2
L1
GTP
UDP
IP
L2
L1
MS RAN 3G Serving Node 3GGateway
Node
UuGnIu
L2
IP
UDP UDP
IP
L3CE
paquet :
PDCP PDCP
RAN protocols (Access Stratum, AS)
RLC
MAC
WCDMA/TD-CDMA
Relay
MAC
WCDMA/TD-CDMA L1 L1
ATM
RLC
AAL2
MS RAN MSCGateway
Node
Uu Iu
ATM
AAL2
circuit :
RAN protocols (Access Stratum, AS)
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Réseau de données(Internet)
Node B
RNC
3G-GGSN
3G-SGSN
Gn
IPFirewall
GnDomaine PS
Iu
Inter-PLMN Backbone Network
Mécanimesexternes de QoS
DiffServ.
Différents types de canaux (dédiés/communs)
ConnexionsAAL2
3GPP R99/R4 QoS normalisée
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WCDMA/VoIPMobile
EDGE/VoIPMobile
UMTS Release 1999
UMTS Release 4/5
Packet side (GPRS)GGSN
SCPHLR
GMSC
3G-SGSNIu
MSC/VLR
WCDMA UTRAN
BSBSBSBS
RNC
RNCIur
Iub
(optional)
Circuit side PSTN
InternetWCDMA Mobile
NEW !
EDGE (GSM) BSS
BSBSBSBS
BSC
BSC
Abis
WCDMA UTRAN
BSBSBSBS
RNC
RNCIur
Iub
GGSN
SCPHLR
3G-SGSNIu
CSCFCSCF MGCFMGCF
SGWSGW
MGWMGW
PSTN
Internet
Multimedia ServiceControl (IPTelephony)
Packet Core (GPRS) with real timeservices
NEW !NEW !
IP transportoption for SS7
GMSCMSC/VLR
Circuit Core
(optional)
UMTS Release'99 and Release 4/5UMTS Release'99 and Release 4/5
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Migration de la SIG versInternet - Interface Iu-r
SSCF-NNI
SSCOP
MTP3-B
AAL5
IP
SCTP
SCCP
AAL5
SSCF-NNI
STC (Q.2150.1)
RNSAP Iur DataStream(s)
TransportNetwork
Layer
Physical Layer
TransportUser
NetworkPlane
Control Plane User Plane
TransportUser
NetworkPlane
Transport NetworkControl Plane
RadioNetwork
Layer
ATM
ALCAP(Q.2630.1)
AAL2
SSCF-NNI
SSCOP
MTP3-B
IP
SCTPSSCF-NNI
M3UA M3UA