Etude portant sur la transmission des signaux multimedia dans un reseau de telephonie mobile de la 3ème generation « cas de routage de données et de la voix dans le réseau UMTS »

CHAPITRE II : LA COMMUTATION DE PAQUETS ET LA TECHNOLOGIE CDMA

II.1. Introduction

Dans un réseau téléphonique, on parle de la commutation qui est l'ensemble de techniques que l'on met en oeuvre afin de choisir, d'établir, de maintenir et à la fin de libérer les trajets téléphoniques entre les couples d'usagers abonnés au réseau.

Les noeuds qui permettent d'établir les connexions entre les usagers en fonction de leur demande sont les centres de commutation, communément appelés autocommutateurs. Car leur exploitation est maintenant toujours automatique. Les autocommutateurs permettent d'interconnecter, deux à deux, les voies de transmission qui aboutissent en grand nombre à leur accès, qu'il s'agisse de lignes d'abonnés ou de circuits reliant les autocommutateurs entre eux.

En ce qui concerne les accès multiples au réseau, les systèmes radio ont deux ressources, la fréquence et le temps. Division par fréquence, de sorte qu'à chaque paire de communications est allouée une partie du spectre pour tous les temps. Division par le temps, de sorte qu'à chaque paire de communications est attribué tous les spectres (ou du moins une grande partie du spectre).

Pour ce qui est de Code Division Multiple Access (CDMA), chaque communication se verra attribuer le spectre entier de tous les temps. Le CDMA est la méthode d'accès au canal qui est utilisé à la 3^ème génération (3G) de la téléphonie mobile.

II.2. Commutation de paquets

Dans un réseau de téléphonie mobile, la commutation peut se concevoir de manières différentes : la commutation de circuit qui consiste à offrir à un usager un circuit pour toute la durée de sa communication et la commutation de paquets qui consiste à offrir le service de commutation de paquets ; l'information des sources est fragmentée en blocs élémentaires.

À la commutation de paquets, chaque message est découpé en paquets de petite taille qui sont numérotés pour un réassemblage éventuel. Les paquets circulent dans le réseau et les noeuds de commutation en effectuent le routage et l'hébergement. Sur le tronçon, les paquets se suivent, même s'ils n'appartiennent pas au même message.

Figure II.1 : Commutation de paquets

Les paquets sont envoyés à leur destination par la meilleure route disponible, puis réassemblés à la réception.

Dans les réseaux de commutation de paquets, les paquets sont acheminés vers leur destination via la route la plus appropriée, mais tous les paquets qui voyagent entre deux hôtes n'empruntent pas la même route, même s'ils font partie d'un même message. Cela garantit presque que les paquets parviendront à destination à des moments différents et dans le désordre.

Les paquets (messages ou fragments de messages) sont acheminés individuellement entre les noeuds sur les liaisons de données qui peuvent être partagées par d'autres noeuds. Contrairement à la commutation de circuits, avec la commutation par paquets, plusieurs connexions aux noeuds sur le réseau partagent la bande disponible.

II.2.1. Principe de commutation

Pour la communication entre usagers, la commutation est essentielle. Il est en effet, impensable de relier chaque usager à tous les autres. En effet, si l'on voulait relier n stations directement à chacune d'elles, il faudrait établir n(n-1)/2 liaisons ce qui est impensable au niveau planétaire.

Figure II.2 : Commutation à 6 liaisons et réseau commuté

On est conduit logiquement à construire les réseaux à partir des noeuds de commutation. Ces noeuds de commutation sont chargés d'acheminer dans la bonne direction les informations qu'ils reçoivent. Cette fonctionnalité est appelée routage.

II.2.2. Types de commutation de paquets

II.2.2.1. Le Datagramme

La commutation de paquets offre le service de datagramme si les paquets arrivent à la destination sans aucune garantie de séquencement. En effet, si les paquets ont pris différents chemins, ils risquent d'arriver dans le désordre.

Dans le service de datagramme, chaque paquet contient l'adresse du destinataire et est acheminé indépendamment des autres paquets avec le risque d'arriver dans le désordre. Bien sûr, si le routage est fixe, les paquets suivant le même chemin, arriveront dans le désordre.

II.2.2.2. Le Circuit Virtuel

Tous les paquets d'un même message suivent le même chemin défini pour chaque message ; la méthode est similaire à celle de la commutation de circuit. Ici, on parle aussi de service orienté connexion dont les paquets arrivent dans l'ordre d'émission à la station destinatrice.

Dans le service circuit virtuel, les paquets appartiennent à une connexion identifiée par un numéro (numéro de circuit virtuel).

Il existe trois étapes pour le service circuit virtuel, qui sont :

- Établissement de la connexion ;

- Transfert des données ;

- Libération de la connexion.

1. Établissement de la connexion

Un paquet d'appel (contenant l'adresse du destinataire) est acheminé via le réseau jusqu'au destinataire. Il va tracer le chemin en laissant à chaque noeud les informations de routage relatives à sa connexion (identifié par un numéro). Le paquet d'appel est confirmé par un autre paquet provenant du destinataire et suivant le chemin tracé.

2. Transfert des données

Les paquets appartenant au circuit virtuel suivent le chemin tracé. Ils ne contiennent plus d'adresse du destinataire mais le numéro de circuit virtuel qui est tracé à chaque noeud.

3. Libération de la connexion

Un paquet de libération de circuit virtuel est envoyé par un des utilisateurs et enlève toutes les informations relatives à la connexion dans les différents noeuds.

II.2.3. Structure des paquets

Un paquet (appelé datagramme en anglais) peut contenir plusieurs types de données :

- Les données proprement dites (messages, fichiers,...) ;

- Certains types de données et de commandes de contrôle (requêtes de service,...) ;

- Des codes de contrôle de session (corrections d'erreur,...) indiquant qu'il faut procéder à une retransmission.

Les paquets sont constitués de l'en-tête, les données et la queue.

Figure II.3 : Composition d'un paquet de données

· En-tête

L'En-tête comprend :

- Un signal d'alerte indiquant que le paquet est en cours de transmission ;

- L'adresse source identifiant l'émetteur ;

- L'adresse de destination identifiant le récepteur ;

- Des instructions indiquant aux composants du réseau comment transmettre les données ;

- Des instructions indiquant au récepteur comment regrouper les paquets pour réassembler les données originelles,...

· Données

Il s'agit des données proprement dites, représentant la partie de l'information ou message à transmettre. La taille de cette section varie en fonction du réseau. Comme les données originelles font souvent plus de 4Ko, les données doivent être découpées en blocs suffisamment petits pour pouvoir être placées dans des paquets. Il faut de nombreux paquets pour transmettre un gros fichier.

· Queue

La queue contient généralement un élément de contrôle d'erreurs de transmission, appelé CRC (Cyclical Redundancy Check). Le CRC est un nombre, généré par un certain calcul mathématique effectué sur le paquet à la source. Lorsque le paquet arrive à la destination, le calcul est effectué de nouveau. Si les résultats sont identiques, c'est que les données du paquet n'ont pas été déformées lors de la transmission. Si le calcul à l'arrivée diffère de celui du départ, alors les données ont changé au cours de transmission. Dans ce cas, la routine de CRC signale à l'émetteur qu'il faut retransmettre les données.

Il existe plusieurs méthodes de contrôle d'erreurs, la plus simple est le contrôle de parité où l'on compte le nombre des bits à 1 contenu dans la partie « données » du paquet. Si le nombre des 1 est pair on met CRC = 0 est si le nombre des 1 est impair on met CRC = 1.

Exemple :

Si Données = 1001011 alors CRC = 0 (le nombre des 1 est pair)

Si Données = 1100111 alors CRC = 1 (le nombre des 1 est impair)

II. 2.4. Le transport des données^7(*)

La plupart des grands réseaux utilisent la technique de transport consistant à paquétiser l'information, c'est-a-dire à regrouper en paquets le flot des débits à transporter. Une information de contrôle est ajoutée au paquet pour indiquer à qui appartient le paquet et à qui il est destiné.

Paquet

Paquet frontière

Le paquet peut être défini comme une entité de base acheminée dans les réseaux. Un paquet contient un nombre variable ou fixe d'éléments binaires. Longtemps assez courts, de façon à éviter les erreurs, les paquets se sont allongés à mesure que les taux d'erreurs diminuaient, et ils peuvent atteindre aujourd'hui plusieurs milliers d'octets.

Figure II.4 : Terminal émettant des paquets sur un circuit

Une fois les paquets prêts, ils sont envoyés vers un premier noeud, le noeud frontière. Ce noeud permet aux paquets d'entrer dans le réseau de l'opérateur. Ils traversent ensuite un réseau maillé, passant de noeud en noeud jusqu'à atteindre le destinataire.

La capacité des lignes qui desservent les noeuds s'exprime en bit par seconde (bit/s). Comme les noeuds actuels permettent de traiter un grand nombre de paquets à la seconde, les capacités des lignes s'expriment en Kilo bit par seconde et Giga bit par seconde.

Un transfert de parole téléphonique par paquets est représenté à la figure II.5. Du téléphone sortent les octets les uns dernière les autres. Les octets sont mis dans un paquet jusqu'à ce que le paquet soit plein ou que l'on puisse attendre plus longtemps. En effet, la parole téléphonique est une application dite temps réel. Cela implique qu'entre le moment du départ de la voix et l'arrivée de cette voix à l'oreille du destinataire ne s'écoulent pas plus de 100ms. C'est le temps maximal pour obtenir une bonne qualité de la communication.

Figure II.5 : Transfert de parole téléphonique par paquet

II.3. La technologie

Le CDMA (Code Division Multiple Access) est une technique d'accès multiple grâce à laquelle les différents utilisateurs peuvent communiquer en même temps dans une même bande de fréquences. Elle permet de coder les communications afin que chaque mobile ne reçoive que les conversations qui le concernent. La distinction entre chaque utilisateur se fait par codes connus exclusivement de l'émetteur et du récepteur.

Temps

Code

Fréquence

Utilisateur 1

Utilisateur 2

Utilisateur 3

Figure II.6 : Accès CDMA

Ainsi, à chaque groupe d'utilisateurs est fourni avec un code unique partagé et il peut y avoir plusieurs utilisateurs avec des codes différents sur le même canal, mais seul groupe d'utilisateurs ayant le même code peut communiquer et se comprendre mutuellement. La caractéristique majeure de cette technologie est qu'elle a permis un certain nombre de signaux de partager la même fréquence.

En effet, si on superpose sur la même porteuse (ou en bande de base, ce qui est moins courant) des signaux codés avec des séquences des codages orthogonales, c'est-à-dire non corrélées entre elles, lorsqu'on cherche à décoder un canal en corrélant le signal reçu avec la séquence attribuée à un canal, les autres signaux, non corrélés, apparaissent comme un bruit de fond et seront éliminés à la régénération.^8(*)

II.3.1. Principe de fonctionnement du CDMA

Pour la téléphonie mobile, trois techniques sont utilisables pour faire passer plusieurs canaux sur la même fréquence porteuse : le multiplexage temporel (AMRT, en anglais TDMA), le multiplexage de fréquence (AMRT, en anglais FDMA) et le multiplexage par code (AMRC, en anglais CDMA).

Développé vers les années 1980 pour les télécommunications par satellite, le CDMA étale le spectre au moyen d'un code alloué à chaque communication. Le récepteur utilise ce même code pour démoduler le signal qu'il reçoit et extraire l'information utile. Le code lui-même ne transporte aucune information. Ainsi, les utilisateurs peuvent communiquer simultanément dans une même bande de fréquences.

II.3.2. Le mécanisme d'accès CDMA

Tous les systèmes de téléphonie mobile sont définis en fonction des problèmes d'interférences entre les communications des différents usagers du réseau. Ce problème d'interférence peut se résumer de la manière suivante : « comment séparer des signaux simultanés qui occupent, avec le même type de densité spectrale de puissance, une même bande de fréquence ».

Il s'agit donc d'un problème classique de séparation de sources qui ne peut être résolu qu'au moyen de l'adjonction d'hypothèses supplémentaires.

L'UMTS est basé sur un accès en CDMA (Code Division Multiple Access ou AMRC : Accès Multiple à Répartition de Code) qui conduit donc à émettre l'hypothèse selon lequel les signaux des différents utilisateurs, grâce à des séquences différentes qui sont décorrélés entre eux et que le signal interférent se comporte, vis-à-vis du signal utile, comme un bruit additif blanc gaussien.

Cependant, le nombre de signaux interférents à prendre en compte est un paramètre qui peut dépendre de problèmes de synchronisation, d'effets du canal de propagation, du type de services offerts par le réseau, ...

A la différence du GSM qui fait passer les données par une cellule (antenne) divisée en canaux de fréquences différentes, elles-mêmes réparties selon des créneaux de temps, le W-CDMA permet d'envoyer simultanément toutes les données, par paquets et dans le désordre (sur n'importe quelle fréquence), il reste au téléphone à réceptionner les paquets de données et les rassembler.

Dans cette technique à étalement de spectre, tous les terminaux, appelés clients, partagent le même canal radio, reçoivent chacun un code qui leur permet de transmettre sur toute la bande ; l'ensemble est alors mélangé pour constituer le signal à transmettre.

Soient S₁(t) le signal bipolaire utile et C₁(t) le code d'étalement, le signal transmis sera :

S₁(t)

C₁(t)

U₁(t)

Données étalées

Données

Séquence d'étalement

Figure II.7 : Diagramme donnant la séquence d'étalement direct à l'émission

Dans le cas où plusieurs signaux utiles sont émis simultanément, on aura :

(II.1) tel que k varie de 1i

avec i : nombre des signaux utiles émis.

La récupération des données de chaque utilisateur à la réception, ne sera possible que si les différentes séquences ont des propriétés particulières, c'est-à-dire que si elles sont orthogonales.

Dans le cas de deux séquences binaires, S₁ et S₂ définies dans un intervalle temporel D, leur produit scalaire est défini par la relation suivante et qui s'annule pour satisfaire la propriété d'orthogonalité :

(II.2)

Après transmission, le récepteur de numéro j recherche le message qui lui est destiné en multipliant U(t) par la séquence locale :

< /C_j(t) > = S_j(t) (II.3)

Tous les produits scalaires étant nuls sauf pour k = j

Le signal U(t) reçu est multiplié par la séquence code et le résultat appliqué à un intégrateur remis à zéro à la fin de chaque période bit.

Si un seul signal est envoyé à la fois, le signal U(t) est binaire et le produit scalaire peut être effectué par intégration.

S₁(t)

C₁(t)

U₁(t)

Données étalées

Données

Séquence d'étalement

Data reçue

+ 3

- 3

Horloge bits

U(t)*C₁(t)

Figure II.8 : Diagramme représentant le désétalement par intégration.

En définition, cette technologie permet de faire transiter davantage des données simultanément et offre un débit supérieur à ceux permis par le GSM et le GPRS. En théorie, il peut atteindre 2 Mbit/s à partir d'un mobile fixe et 384 Kbit/s en mouvement (train ou voiture) : soit 64 à 128 Kbit/s en émission et 128 à 384 Kbit/s en réception.

II.3.3. Les principaux éléments de CDMA

Le CDMA est une forme de technologie de transmission à étalement de spectre. Il a un certain nombre de traits distinctifs qui sont essentiels à la diffusion des technologies de transmission du spectre :

1. Utilisation de largeur de bande

Comme d'autres technologies à étalement de spectre, le CDMA utilise une bande passante plus large, il fait la transmission des données. Il en résulte un certain nombre d'avantages, y compris une immunité renforcée aux interférences ou au brouillage, et à l'accès multi-utilisateurs.

2. Codes d'étalement utilisés

Afin d'atteindre la bande passante accrue, les données sont réparties par utilisateur d'un code qui est indépendante des données.

3. Niveau de sécurité

Afin de recevoir les données, le récepteur doit avoir une connaissance du code d'étalement, sans cela, il n'est pas possible de déchiffrer les données transmis, ce qui donne une mesure de sécurité.

4. Accès multiple

L'utilisation des codes d'étalement, qui sont indépendants pour chaque utilisateur ainsi que la réception synchrone permettent à plusieurs utilisateurs d'accéder au même canal en même temps.

II.3.4. Codes

Les codes CDMA ne sont pas tenus d'assurer la sécurité d'appel, mais de créer un caractère unique pour permettre l'identification des appels. Les codes ne devraient pas être corrélés à d'autres codes ou de temps version décalée d'elle-même.

II.3.5. Codage

Le CDMA utilise des codes uniques de propagation de diffuser les données en bande de base avant la transmission. Le signal est transmis dans un canal, qui est au dessous du niveau bruit. Le récepteur utilise alors un corrélateur à désétaler le signal utile, qui est passé à travers un filtre à bande passante étroite. Un signal indésirable ne sera pas désétalé et ne passera pas à travers le filtre.

USER 1

Codage

USER 2

Codage

USER 3

Codage

?

USER 1

Décodage

1

2

3

Fréquence

1

2

3

Temps

Puissance

Fréquence

Puissance

Temps

Données

Utilisateur 1

Données

Utilisateur 2

Données

Utilisateur 3

Figure II.9 : Codage et Décodage à la propagation

II.3.6. Transfert intercellulaire « en douceur »

Tous les systèmes cellulaires existants utilisent des procédures de transfert intercellulaire qui sont fondées sur la coupure de la liaison entre la cellule d'où vient le mobile et celui-ci simultanément à l'établissement d'une liaison avec une nouvelle cellule. Il en résulte une légère coupure perceptible à l'oreille et surtout un risque non négligeable de perte de la communication en cours.

Le système CDMA fait appel à une autre technique de transfert automatique, que l'on appellera « en douceur » parce qu'elle ne comporte pas de coupure de transmission.

Quand un mobile se trouve sur le point d'effectuer un transfert de cellule, il est suivi par au moins deux cellules. Le transcodeur CDMA compare la qualité des trames reçues par les deux cellules, trame par trame.

Les handovers tendres nécessitent moins de puissance, ce qui réduit la capacité des interférences. Le mobile peut être connecté à plus de deux BTS de la remise « douceur » de transfert est un cas particulier du soft handover où les liaisons radio sont ajoutées et supprimées appartiennent à la même Node B.

II.3.7. Commande de puissance

Le CDMA est limité des interférences système d'accès multiple. Tous les utilisateurs transmettent sur la même fréquence, les interférences internes générées par le système est le facteur le plus important dans la détermination de la capacité du système et la qualité d'appels.

La puissance d'émission pour chaque utilisateur doit être réduite pour limiter les interférences. Cependant, la puissance devrait être suffisante pour maintenir le nécessaire (rapport signal/bruit) pour une qualité de communication satisfaisante.

II.3.8. Le contrôle de puissance

Le contrôle de puissance permet d'optimiser la capacité. Il veille à ce que chaque utilisateur émette avec une certaine puissance ou un rapport signal sur bruit suffisant pour garantir un taux d'erreur fixe par trame.

Le contrôle de puissance permet de résoudre dans le CDMA les deux problèmes suivants :

· Le problème de proche ou loin : l'usager proche de la BTS bloquera l'usager loin de la BTS ;

· La limitation par l'interférence : la capacité du système est liée à son propre bruit.

II.3.9. Suppression de la planification cellulaire

Le principe de base de la radiotéléphonie est celui de la réutilisation des mêmes jeux de fréquences de place en place dans le même réseau, selon un motif de réutilisation. Une fréquence donnée ne peut pas, dans les systèmes traditionnels, être employée dans toutes les cellules, sauf à créer un niveau d'interférences insupportables. Les fréquences doivent être réutilisées selon un motif préétabli et en tenant compte des réalités du terrain.

La planification cellulaire est une opération qui est longue et complexe. Les réseaux analogiques utilisaient des motifs à 12 fréquences, les GSM permettent des motifs plus serrés, comme le motif à 9 ou 3x3, dans lequel les mêmes fréquences sont réutilisées tous les trois groupes de trois cellules colocalisées (tous les trois sites tri sectoriels).

Dans un système CDMA, tous les usagers partagent le même spectre de fréquences radio. La même porteuse radio est utilisée sur toutes les cellules, même celles qui sont adjacentes.

II.4. Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons énoncé le principe de la commutation ainsi que les différents types de la commutation de paquets.

Nous avons également étudié l'Accès Multiple par Répartition de Code qui est la méthode d'accès au réseau téléphonique utilisée à la 3^ème génération ; ses principaux éléments et son apport au fonctionnement des réseaux téléphoniques.

* ⁷ Pujolle, G. : Réseaux et Télécoms, Paris, 3^ème Ed., 2008, P. 5-6.

* ⁸ Lecoy, P. : Principes et technologies des télécoms, Paris, Hermès, 2005, P.152.