Rapport Pfe AADAMA Salah Eddine

MEMOIRE DE PROJET DE FIN D’ETUDES Pour l’obtention du diplôme d’ingénieur d’état en télécommunication

Etude des mécanismes de la voix sur LTE et analyse des solutions des constructeurs Huawei, Ericsson et NSN. Soutenu le Mercredi 12 Juin 2013

Réalisé par : AADAMA Salah-Eddine

Encadré par : M. CHAFIAI Hmad (Directeur de INGECYS Telecom) M. DRISSI EL MALIANI Youssef (Chef des projets de INGECYS Telecom) Mlle. CHAFNAJI Houda M. NAJA Najib Membres du jury : Mme. RIOUCH Fatima M. ET-TOLBA Mohamed Année universitaire 2012-2013

DEDICACE A mes chers parents qui m’ont soutenu toute ma vie… A mes chères sœurs Ghizlane, Loubna et Zineb… A mon cher frère Driss… A toute ma famille… A tous mes amis et camarades… A tous les INEs… Je dédie ce mémoire

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REMERCIEMENT Il nous est agréable d’exprimer nos sentiments de reconnaissance envers toutes les personnes, dont l’intervention tout au long de ce projet, a favorisé son accomplissement. Ainsi, nous exprimons notre profonde gratitude à tous les collaborateurs de la société INGECYS Telecom pour leur soutien moral et technique, et pour leur générosité et leur disponibilité permanente. Nous tenons à exprimer nos sentiments de remerciement à Mlle. CHAFNAJI Houda et M. NAJA Najib, nos encadrants à l’INPT, pour les conseils qu’ils nous ont prodigués, leur judicieux encadrement et leur assistance pour la rédaction de ce rapport. Nos remerciements les plus sincères vont à M. CHAFIAI Hmad, directeur de la société INGECYS Telecom, et M. DRISSI EL MALIANI Youssef, le chef des projets chez INGECYS Telecom, pour leurs conseils, directives et formations qui nous ont été d’un grand apport pour la mise en œuvre de ce projet. Nos remerciements aussi les plus distingués sont destinés à Mme. RIOUCH Fatima et M. ET-TOLBA Mohamed pour leur choix de notre soutenance de projet de fin d’étude pour en être le jury.

AADAMA Salah-Eddine

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Résumé La mission qu’on nous a confiée dans le cadre de notre projet de fin d’étude se résume dans l’étude pointue des mécanismes de support de la voix sur le réseau LTE. Cette technologie, LTE, est la dernière évolution des normes de téléphonie mobile ; elle permet des transmissions de données à haut débits pouvant dépasser 100 Mb/s, ce qui en fait une véritable révolution. Toutefois, LTE ne permet pas d’effectuer des appels téléphoniques, ce qui exige la recherche de moyens efficaces pour dépasser cette limitation. L’étude que nous avons faite compare entre les différentes solutions possibles dans ce sens et présente également les visions et les résultats d’analyse des solutions proposées par les constructeurs Huawei, Ericsson et NSN.

Abstract The mission that was given to us in the context of our graduation project was studying carefully voice support solutions in the LTE network. Long Term Evolution, the last wireless communication standard, improve significantly data transmission. In fact, the average downlink data rate can reach more than 100 Mb/s which is really a great revolution. However, the technology does not support phone calls. Thus, it’s crucial to look for efficient ways to overcome this deficiency. The study we conducted gives a comparison between the various solutions suggested in this context. We also display the views and analysis results of the solutions proposed by the telecommunication equipment manufacturers, Huawei, Ericsson and NSN.

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Sommaire

Introduction générale .............................................................................................................. 6 Chapitre 1 : Contexte général du projet .................................................................................... 7 Présentation de la société INGECYS Telecom ..................................................................... 8 Introduction générale sur LTE ............................................................................................. 9 1.

Architecture du réseau LTE ....................................................................................... 10

2.

Pile protocolaire de LTE ............................................................................................. 13

 Conclusion du chapitre ................................................................................................... 18 Chapitre 2 : Les mécanismes de support de la voix sur LTE et la gestion de QoS sur le réseau LTE ............................................................................................................................................ 19 Les mécanismes de support de la voix sur LTE ................................................................. 20 1.

CS Fallback ................................................................................................................. 20

2.

Simultaneous Voice and LTE (SVLTE) ......................................................................... 21

3.

La solution dite Voice Over LTE (VoLTE) .................................................................... 22

4.

La solution Voice Over LTE via Generic Access (VoLGA) ........................................... 25

5.

La solution dite Over The Top (OTT) .......................................................................... 28

La QoS sur le réseau LTE ................................................................................................... 29 Les ordonnanceurs radio sur LTE .................................................................................. 31  Conclusion du chapitre .................................................................................................. 37 Chapitre 3 : Etude comparative des solutions standards de support de la voix sur LTE ......... 38  Conclusion du chapitre .................................................................................................. 39 Chapitre 4 : Visions des équipementiers et solutions propriétaires de support de la voix sur LTE ............................................................................................................................................ 40  Conclusion du chapitre .................................................................................................. 41 Conclusion générale ............................................................................................................... 42 Bibliographie & Webographie ............................................................................................... 43 Index ........................................................................................................................................ 44 Annexes ................................................................................................................................... 46

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Liste des figures Figure 1 : évolution du débit des données en sens descendant de LTE .......... 9 Figure 2 : Architecture du réseau LTE ............................................................ 10 Figure 3 : les principales interfaces introduites dans le réseau LTE .............. 13 Figure 4 : les piles protocolaires sur le réseau LTE ......................................... 15 Figure 5 : Les plans utilisateur et contrôle sur le réseau LTE ........................ 15 Figure 6 : Entités/Piles protocolaires pour le plan Contrôle ......................... 16 Figure 7 : Entités/Piles protocolaires pour le plan Utilisateur ...................... 16 Figure 8 : Architecture réseau dans le cas de déploiement de CS Fallback .. 20 Figure 9 : la solution SV-LTE ........................................................................... 21 Figure 10 : Architecture réseau dans le cas de déploiement de VoLTE ........ 22 Figure 11 : Architecture réseau et chemin du trafic voix dans un scénario d’utilisation de la solution « PS Based Solution » .......................................... 23 Figure 12 : Procédure du Handover dans le cas de la solution SRVCC .......... 24 Figure 13 : Architecture réseau dans le cas d’utilisation de la solution VoLGA (Source : VoLGA Forum).................................................................................. 26 Figure 14 : Nœuds et interfaces réseau impliqués par l’ajout du VANC ....... 27 Figure 15 : Les clients VoIP Skype, Viber et Tango ........................................ 28 Figure 16 : PLR des flux vidéo et VoIP du premier scénario .......................... 35 Figure 17 : PLR des flux vidéo et VoIP du deuxième scénario ....................... 35 Figure 18 : Délai de paquets des flux vidéo et VoIP du premier scénario .... 36 Figure 19 : Efficacité spectrale dans les deux scénarii LTE choisis ................ 36

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Introduction générale La technologie LTE de la quatrième génération est l’évolution naturelle des générations de télécommunication. De ce fait, elle tire parti des avantages des générations précédentes tout en introduisant de nouveaux aspects pour répondre aux exigences formulées dans les spécifications 3GPP de la 4G surtout en ce qui concerne le débit de transmission des données devant atteindre 1 Gb/s dans le sens descendant. Toutefois, la norme LTE, initialement conçue pour l’unique support des données, n’intègre pas de solution franche de support de la voix comme il est le cas avec les normes la précédant. Des questions importantes sont alors posées : comment faire pour dépasser le non support du service de la voix se présentant comme service crucial pour les opérateurs ? Quelles sont les solutions existantes pour intégrer le service dans le réseau LTE ? Quelle en est la meilleure et qui permet de répondre aux attentes des abonnés LTE ? Que proposent les équipementiers dans ce sens ? Faut-il réfléchir à l’intégration du service de la voix avant ou après le déploiement de LTE ? Pour répondre à ces questions entre autres, et qui ont contribué au retard du déploiement de la 4G au Maroc, INGECYS Telecom a conçu un projet de recherche sur ledit thème pour en être le leader au niveau national. INGECYS Telecom, vise à avoir une vision très claire sur le marché de la 4G au Maroc, une vision qui rassemble les différents aspects de la technologie dont la voix en est un. Pour ce faire, il faut détenir une base de données très riche de toutes les spécifications standards avant de procéder à des études extensives et des analyses minutieuses facilitant la compréhension des différents onglets du problème et des solutions proposées. Un autre objectif important de INGECYS Telecom est d’enrichir les résultats de son projet sur la voix 4G par l’étude des propositions et offres des équipementiers qui détiennent le marché du télécom au Maroc, à savoir Huawei, Ericsson et Nokia siemens Networks. Ceci lui est possible en étudiant minutieusement les documentations officielles profilant les mécanismes de support de la voix sur LTE desdits constructeurs. Ce rapport présente le travail que nous avons fait dans le cadre de ce projet de recherche, pendant la durée de notre stage de fin d’étude. Ce travail est structuré de la manière suivante : après avoir introduit le contexte général du projet, le chapitre 1 met l’accent sur le réseau LTE en général, ce qui permet la compréhension de la suite de notre travail. Dans le chapitre 2, nous avons tenté, autant que possible, de présenter les différents mécanismes de support de la voix sur LTE ; nous avons traité également dans ce chapitre la gestion de qualité de service sur LTE accompagnée d’une simulation avec l’outil LTE-Sim qui compare certains ordonnanceurs radio dans un contexte de voix. Le chapitre 3, lui, présente l’étude comparative que nous avons faite entre les solutions standards de support de la voix sur LTE. Dans le dernier chapitre, le chapitre 4, nous présentons les visions et propositions des constructeurs Huawei, Ericsson et NSN dans le cadre dudit thème. Projet

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Chapitre 1 : Contexte général du projet

Ce chapitre a comme objectif de situer le projet dans son cadre organisationnel et contextuel. Il commence par une présentation concise de l’organisme d’accueil, ensuite une introduction générale sur la norme LTE est faite, une introduction que nous avons tenté, autant que possible pour qu’elle touche aux différents aspects importants du réseau LTE. Nous présentons l’architecture réseau et la pile protocolaire de LTE ainsi que des notions sur la norme LTE Advanced.

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Présentation de la société INGECYS Telecom Ces dernières années le secteur des télécommunications au Maroc connaît un développement particulièrement soutenu et ce grâce aux innovations technologiques et à la libération du secteur. Ceci a encouragé l’arrivée de plusieurs opérateurs, équipementiers et société de service télécoms sur le marché marocain.

La société INGECYS Telecom qui est aujourd’hui une société de service à forte valeur ajoutée dans le domaine des télécommunications, est spécialisée dans le conseil technologique, technique et stratégique.

Fondée en 2007, INGECYS Telecom fournit de multiples services aux opérateurs et aux équipementiers afin de garantir la préparation, la mise en place, l’optimisation et l’exploitation de leurs réseaux télécom. Ces multiples services sont garantis par le conseil technique et stratégique. INGECYS Telecom propose des solutions adaptées aux besoins de ses clients sous forme d’une mise à disposition des ressources qualifiées ou sous forme de contrat de prise en charge clé-en-main avec un engagement de résultats.

La société a pu tripler son chiffre d’affaires en 2009 et continue son développement pour couvrir l’Afrique et le moyen orient en fournissant les services suivants : • Gestion de projets • Etude et assistance technique • Audit de réseaux • Mesure de performances • Veille et conseil stratégique • Solution spécifique • Formations

La démarche de la société se base sur la création de valeurs dans chaque étape du cycle de vie du projet en mettant à disposition des ressources qualifiées, locales ou offshores, ou en prenant en charge la prestation clé en main. De plus, sa qualité s’appuie sur une capitalisation d’expériences et de compétences des managers et consultants qui interviennent chez les équipementiers et opérateurs du monde entier, sur multiples projets de réseaux de télécommunications.

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Introduction générale sur LTE LTE (Long Term Evolution) est une évolution de la 3G qui est conçu par l’organisme 3GPP dans le cadre de l’introduction de la future quatrième génération en téléphonie mobile. LTE veille à réaliser un ensemble d’objectifs dont nous citons le transfert de données à haut débit, une portée très importante, un nombre d’appels par cellule supérieur au celui de 3G et une latence faible. En théorie il permet d’atteindre des débits de l’ordre de 50 Mbps en lien ascendant et de 100 Mbps en lien descendant, à partager entre les utilisateurs mobiles d’une même cellule. La figure suivante montre l’évolution qu’a connue le débit en sens descendant depuis ses premiers déploiements.

Figure 1 : évolution du débit des données en sens descendant de LTE

Pour les opérateurs, l’introduction de LTE implique la modification du cœur du réseau du fait qu’il est totalement basé sur IP, et implique aussi des modifications au niveau des émetteurs radio. Des terminaux mobiles adaptés à LTE sont également nécessaires pour la mise en service de LTE. En termes de vocabulaire, le réseau entier s’appelle EPS pour Evolved Packet System. Il est constitué du réseau d’accès E-UTRAN parfois appelé LTE et qui n’est qu’une évolution du réseau d’accès de l’UMTS et le réseau cœur SAE (System Architecture Evolution) ou EPC (Evolved Packet Core). Ce qui attire l’attention dans la normalisation 4g et que l’on reproche à la nouvelle génération de télécommunication, c’est que LTE ne supporte pas la voix, et la spécification 3GPP le concernant n’intègre pas de volet traitant le service de la voix comme c’est le cas pour les normes précédentes.

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La réflexion sur des mécanismes d’introduction dudit service s’avère alors cruciale surtout que la voix était et reste toujours la source la plus précieuse en termes du revenu pour les opérateurs de la téléphonie mobile, et du coup ils ne peuvent pas s’en passer.

1. Architecture du réseau LTE LTE a l’avantage d’avoir une architecture très simplifiée dont les éléments principaux sont présentés dans la figure suivante.

Figure 2 : Architecture du réseau LTE

L’architecture de LTE est appelée EPS (Evolved Packet System) et est composée de deux sous-systèmes E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) et EPC (Evolved Packet Core). L’architecture en gros consiste en six éléments principaux qu’on définit comme suit [1] :  E-UTRAN : c’est le réseau radio ; Il comprend les eNodeB, les stations de base, connectées entre elles via l’interface X2 et connectées aux éléments du réseau cœur via l’interface S1. Les eNodeB sont les entités responsables de la transmission et la réception radio avec les terminaux d’utilisateurs (UE). L’interface S1 avec le réseau cœur consiste en S1-C (S1-Contrôle) entre l’eNodeB et la MME et S1-U (S1-User) entre l’eNodeB et le Serving Gateway (SGW). L’interface X2 est définie entre les eNodeB adjacentes. Son rôle est de minimiser la perte des paquets et permettre le relayage des paquets entre les eNodeB lors d’un handover d’utilisateur dû à son déplacement entre deux eNodeB.  EPC : c’est le réseau cœur ; Il comprend cinq sous-éléments qui sont la MME (Mobility Management Entity), la SGW (Serving Gateway), la PDN-GW (Packet Data Network Gateway), le PCRF (Proxy and Charging Rules Function) et le HSS (Home Subscriber Server).  MME : l’élément le plus important dans l’EPC du fait qu’il assure le plan de contrôle des utilisateurs. Les fonctions fournies par la MME incluent Projet

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l’authentification, la gestion de mobilité, la sécurité et la récupération des informations des abonnés depuis le HSS. L’entité MME assure les fonctions suivantes :  Signalisation EMM et ESM avec l’UE : Les terminaux LTE implémentent les protocoles EMM (EPS Mobility Management) et ESM (EPS Session Management) leur permettant la gestion de leur mobilité (connexion, déconnexion du réseau et mise à jour de localisation) et leur session (établissement et libération de session de données).  Authentification : c’est de la responsabilité de la MME d’authentifier les UE à partir des informations recueillies du HSS.  Gestion de la liste des Tracking Area (zones de localisation) : L’UE est prévenu des zones de localisation prises en charge par la MME, appelées Tracking Area. L’UE met à jour sa localisation lorsqu’il détecte qu’il n’est plus dans une Tracking Area de la liste prise en charge par sa MME.  Sélection de la SGW et la PDN-GW : Au moment de la connexion de l’UE au réseau, c’est à la MME de sélectionner la SGW et la PDN-GW qui serviront à mettre en œuvre le Default Bearer ou support par défaut du trafic de l’utilisateur.  Sélection du SGSN lors d’un handover avec les réseaux d’accès 2G et 3G : Quand un utilisateur se déplace d’une zone LTE à une zone 2G/3G, la MME sélectionne quel SGSN impliquer pour la mise en place du Default Bearer.  Roaming et interaction avec le HSS : Quand un utilisateur se connecte au réseau LTE, la MME s’interface au HSS nominal pour mettre à jour la localisation du mobile et obtenir le profil de l’utilisateur en question.  Gestion des EPS Bearer : c’est de la responsabilité de la MME d’établir pour le compte de l’utilisateur les Default Bearer et les Dedicated Bearer exigées pour la prise en charge de ses services.  Interception légale du trafic de signalisation : Du fait qu’elle reçoit la totalité de la signalisation émise par l’UE elle peut l’archiver pour des fins de traçabilité.  SGW : c’est l’entité responsable de la transmission des paquets du plan utilisateur du mobile au PDN-GW. Elle est également responsable du Tunneling des paquets IP du plan utilisateur en utilisant le protocole GTP (GPRS Tunneling Protocol) quand l’utilisateur se déplace entre différentes eNodeB. Les principales fonctions fournies par la SGW sont :

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 Point d’ancrage pour le handover inter-eNodeB : Dans une situation de handover entre eNodeB, le trafic de l’utilisateur qui s’échangeait entre l’ancienne eNodeB et la SGW doit être relayé de la nouvelle eNodeB au SGW.  Point d’ancrage pour le handover LTE et les réseaux 2G /3G : Il assure le relayage des paquets entre les systèmes 2G/3G et la PDN-GW. Lors d’une mobilité entre LTE et 2G/3G, le SGSN de 2G/3G s’interface avec la SGW pour assurer la continuité des services.  Interception légale : vue sa position stratégique sur le chemin de signalisation pour l’établissement et la libération des Bearer et sur le chemin du média (les paquets émanant de l’UE), il est un bon point pour faire de l’interception légale des flux média et contrôle.  Routage et relayage des paquets : la SGW fait le routage des paquets provenant des eNodeB vers la PDN-GW appropriée et fait le relayage des paquets entrants aux eNodeB.  facilitation de la taxation Inter-opérateurs : La SGW compte le nombre d’octets envoyés et reçus permettant l’échange de Tickets de taxation entre les opérateurs pour les reversements.  Marquage des paquets dans les sens montant et descendant : Il assure le Mapping entre le DiffServ Code Point (DSCP) et la QCI (QoS Class Identifier) du Bearer EPS associé pour garantir la continuité de réponse aux exigences de QoS.  PDN-GW : c’est le nœud final dans le réseau LTE. Il fonctionne comme un routeur d’extrémité et assure le routage des paquets du plan utilisateur à partir des nœuds mobiles vers autres réseaux comme Internet, IMS etc. Il est aussi responsable de l’allocation d’adresses IP pour les utilisateurs. Les fonctions assurées par la PDN-GW sont :  Interface vers les réseaux externes : le nœud d’extrémité de l’EPS vers les réseaux externes IPv4 et IPv6 ;  Allocation de l’adresse IP de l’UE : une adresse IPv4 ou IPv6 est assignée lorsque le réseau établit un Default Bearer permanent à l’UE ;  Interception des flux et marquage des paquets : Comme la SGW.  Taxation des flux de service montants et descendants : et ceci sur la base des règles de taxation (politiques de l’opérateur) fournies par le PCRF ou sur la base de politiques locales.  PCRF : Policy and Charging Rules Function, Il est responsable de l'application des diverses politiques de l'opérateur sur le réseau comme la garantie de QoS, débit maximal approvisionné pour un utilisateur, etc. Il communique avec la PDN-GW lors de l'application de ces politiques pour les différents

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utilisateurs dans le réseau LTE. L’entité PCRF réalise deux fonctions principales :  La fourniture des règles de taxation au PDN-GW ; à titre d’exemple, si un utilisateur fait transiter des flux WAP et Streaming, la PDN-GW est prévenu pour distinguer les deux flux et taxer le premier sur la base du volume et le deuxième sur la base de la durée.  La demande auprès du PDN-GW d’établir, modifier ou libérer des Dedicated Bearer sur la base de la QoS demandée par l’utilisateur ; Si par exemple un utilisateur demande la création d’une session IMS, un message SIP sera envoyé au P-CSCF qui le transmet au PCRF en indiquant la QoS requise. Ce dernier communique alors avec le PDNGW pour faire correspondre un Dedicated Bearer à la QoS requise.  HSS : Home Subscriber Server, c’est la base de données maitresse du réseau LTE, contenant toutes les informations d’abonnement des utilisateurs. C’est en quelque sorte un HLR évolué du fait qu’il est censé supporter les informations de souscriptions pour les différents réseaux GSM, GPRS, UMTS, LTE et IMS. Donc il doit supporter en plus du protocole MAP (protocole du monde SS7 supporté par HLR 2G et 3G), le protocole DIAMETER (protocole du monde IP) pour IMS et LTE.

2. Pile protocolaire de LTE Toutes les interfaces réseau sur LTE sont basées sur IP [2]; Voici les importantes interfaces mises en jeu dans une architecture LTE :

Figure 3 : les principales interfaces introduites dans le réseau LTE



LTE-Uu : c’est l’interface entre les UE et le réseau d’accès E-UTRAN; Le protocole de communication utilisé entre l’UE et l’eNodeB est RRC (Radio Resource Control), le NAS (Non Access Stratum) entre les UE et la MME étant transparent aux eNodeB.

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S1 : c’est entre une eNodeB et une MME et entre un eNodeB et un SGW (deux plans : plan utilisateur et plan contrôle) ; elle comporte S1-MME ou S1-C et S1-U. S1-MME est une interface IP qui utilise SCTP (Stream Control Transmission Protocol) comme protocole de transport, alors que l’interface S1-U utilise GTP-U (GPRS Tunneling Protocol-User Plane) comme protocole applicatif pour encapsuler le trafic des UE. GTP-U utilise UDP comme couche sous-jacente.



X2 : c’est entre les eNodeB ; c’est une interface IP qui utilise SCTP comme protocole de transport et X2-AP comme protocole d’application.



S5 : c’est entre la MME et la PDN-GW et entre la SGW et la PDN-GW ; c’est une interface IP qui a deux variantes. Elle peut être une interface GTP ou une interface PMIP (Proxy Mobile IP). Cette dernière est utilisée pour supporter les réseaux d’accès non approuvés par 3GPP.



S6 : c’est entre la MME et le HSS du réseau ; c’est une interface IP qui utilise SCTP audessus et DIAMETER comme protocole applicatif.



S11 : c’est entre la MME et la SGW ; c’est une interface IP et GTP est le protocole d’application utilisé fonctionnant au-dessus de UDP.



SGi : SGi c’est pour Service Gateway interface, elle est entre le PDN-GW et Internet ou le réseau de paquets PDN (Packet Data Network) en général.

Le schéma suivant englobe les piles protocolaires utilisées sur les interfaces que nous venons de mentionner.

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Figure 4 : les piles protocolaires sur le réseau LTE

Dans l’architecture LTE on fait la distinction entre les deux plans : Plan Contrôle et Plan Utilisateur, impliquant chacun des entités particulières du réseau et donc des protocoles différents.

Figure 5 : Les plans utilisateur et contrôle sur le réseau LTE

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Le SAE dans la figure c’est pour System Architecture Evolution, qui est une nomination donnée au réseau cœur. Les deux figures suivantes montrent les différentes entités réseau et les piles protocolaires qu’elles implémentent pour les deux plans. Le plan contrôle :

Figure 6 : Entités/Piles protocolaires pour le plan Contrôle

Le plan utilisateur :

Figure 7 : Entités/Piles protocolaires pour le plan Utilisateur

Les principaux protocoles utilisés entre les nœuds du réseau LTE sont :  RLC (Radio Link Control) : supporté par l’UE et les eNodeB, il entre dans la partie Interface air de LTE. Parmi les services et fonctions de la sous-couche RLC la détection/correction des erreurs, la concaténation, la segmentation, l’assemblage, la détection de duplication.

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 PDCP (Packet Data Convergence Protocol) : il est implémenté dans les UE et les eNodeB et appartient à l’interface air de LTE. Les principaux services fournis par cette sous-couche dans le plan contrôle sont le cryptage, protection d’intégrité et le transfert des données du plan contrôle. Dans le plan utilisateur elle fournit la compression/décompression de l’en-tête, le transfert des données utilisateur, la détection de duplication des unités de données service SDU de la couche sous-jacente et le cryptage/décryptage.  RRC (Radio Resource Control) : implémenté dans les UE et les eNodeB, il fait partie du plan contrôle de l’interface air de LTE. Les fonctions principales fournies par ce protocole sont : la diffusion des informations du système, la procédure de « paging », la prise des décisions de « handover » en se basant sur les informations des cellules voisines, l’allocation des identificateurs temporaires aux UE et les fonctions de gestion de la QoS.  NAS (Non Access Stratum) : c’est la couche haute du plan de contrôle entre l’UE et la MME dans l’interface radio. Les fonctions principales assurées par cette souscouche sont : la gestion des EPS Bearer, l’authentification, la gestion de la mobilité et le contrôle de sécurité.  SCTP (Stream Control Transmission Protocol) : c’est un protocole de la couche transport et donc joue un rôle similaire à TCP/UDP.  S1AP (S1 Application Protocol) : Il fournit le service de signalisation entre l’E-UTRAN et l’EPC et assure les fonctions suivantes : la fonction de transfert du contexte initial, la fonction d’indication des informations de capacités d’UE, les fonctions de mobilité, la fonction de transport de la signalisation NAS et le reporting de localisation.  GTP-U (GPRS Tunneling Protocol-User Plane) : Il est utilisé dans les interfaces S1-U, X2 et S5 de l’EPS. Les tunnels GTP-U sont utilisés pour transporter les unités de données paquets PDU encapsulées et les messages de signalisation entre les extrémités d’un tunnel donné.  La couche physique : la technique OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) est utilisée dans le sens descendant (Downlink) et la SC-FDMA (Single Carrier FDMA) est utilisée dans le sens montant (Uplink). Les deux dites méthodes sont nouvellement introduite avec la norme LTE et elles visent l’amélioration de l’efficacité spectrale. La norme LTE est considérée communément comme la norme 3.9G car elle ne permet pas de répondre aux exigences du comité 3GPP pour la quatrième génération surtout en ce qui concerne le débit de transmission des données. LTE-Advanced, une évolution de LTE, se présente ainsi comme la vraie 4G. LTE-Advanced introduit un ensemble de fonctionnalités pour fournir des débits élevés de manière efficace en termes de coût. Les principales fonctionnalités introduites sont : l’agrégation de porteuses qui vise à augmenter la totalité de la bande passante utilisée par les abonnés LTE, l’utilisation améliorée de la technique des multi-antennes qui consiste en

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l’utilisation de plusieurs antennes émettrices/réceptrices et l’introduction du concept des nœuds de relai (Relay Node) qui servent à desservir les zones densément peuplées ou les extrémités des cellules LTE.

 Conclusion du chapitre Ce chapitre nous a permis de faire le point sur le réseau LTE aussi bien au niveau des entités que des protocoles. Dans le prochain à suivre, nous allons présenter les solutions standards d’intégration du service de la voix sur le réseau LTE.

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Chapitre 2 : Les mécanismes de support de la voix sur LTE et la gestion de QoS sur le réseau LTE

Ce chapitre présente les différentes solutions visant l’intégration du service de la voix sur le réseau LTE, et met également l’accent sur la gestion de qualité de service sur le réseau LTE. Le chapitre se poursuit par une présentation de la simulation que nous avons faite à l’aide de l’outil LTE-Sim et dont l’objectif est de comparer certains ordonnanceurs radio dans un scénario d’utilisation du service de la voix sur LTE.

Mots clés : LTE-Sim (voir Annexe), ordonnanceurs radio.

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Les mécanismes de support de la voix sur LTE 1. CS Fallback Comme LTE est une technologie essentiellement dédiée paquets uniquement, elle est bien conçue pour les trafics de données. Par contre, les appels vocaux, dans le cadre de la solution CS Fallback, sont procédés via la technologie CS (Circuit Switched) des réseaux WCDMA, GSM etc. La solution Circuit Switched Fallback [3] fournit une manière pratique d’utilisation des réseaux GSM/UMTS existants pour supporter la voix sur le réseau LTE. Cette solution est standardisée et fournit aux opérateurs la flexibilité de déployer LTE comme uniquement un réseau de couverture pour les données et utiliser les réseaux CS existants pour le support de la fonctionnalité de la voix. L’architecture réseau de la solution CS Fallback est décrite dans la figure suivante.

Figure 8 : Architecture réseau dans le cas de déploiement de CS Fallback

L’utilisateur effectue un enregistrement commun entre le réseau LTE ainsi que les réseaux GSM/UMTS tout au long de la procédure initiale de l’enregistrement. Cet enregistrement commun est facilité par la MME du réseau LTE qui effectue l’enregistrement 2G /3G pour le compte de l’utilisateur. Durant l’initiation de l’appel vocal faite par l’utilisateur, la MME redirige la requête vers le serveur MSC (Mobile Switching Center) dans le domaine CS et qui est présenté dans la figure ci-dessus comme le serveur des appels (Call Server). Si la réservation de ressources pour l’appel dans le domaine CS est réussie, le serveur MSC doit répondre à la MME en lui envoyant l’état de la demande. La MME envoie donc ses instructions Projet

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à l’eNodeB pour demander à l’utilisateur d’effectuer un « handover » vers le réseau GSM/UMTS. La session de données de l’utilisateur dans le réseau LTE est suspendue si le réseau de destination est le GSM. Si la destination est le réseau UMTS, alors un « handover » séparé des Bearer existants de données est effectué du réseau LTE au réseau UMTS après l’enregistrement de l’utilisateur dans le réseau 3G. Cette solution, CSFB, a beaucoup de désavantages notamment l’augmentation du temps d’établissement d’appel due à la procédure de « handover », et l’interruption de la transmission des données durant la période de l’appel vocal quand l’utilisateur fait un Fallback vers le réseau GSM. Cette solution peut être utilisée durant le premier déploiement, où la LTE est beaucoup utilisée pour les données grande vitesse, et la voix est complètement manipulée par les réseaux traditionnels du domaine CS. Ainsi, CS Fallback est vue uniquement comme une solution temporaire durant le déploiement initial du réseau LTE.

2. Simultaneous Voice and LTE (SVLTE) SV-LTE [4] est un standard technique qui permet à un UE d’utiliser le réseau de la voix (souvent 2G) et le réseau des données en même temps. Cette solution fournit les fonctionnalités de CS Fallback tout en fournissant le service de données PS (Packet Switched). Comparée à la CSFB, la SV-LTE met l’accent sur la simultanéité de la voix et les données, le réseau de données LTE est disponible durant un appel vocal ce qui n’est pas le cas avec CSFB. La technologie SV-LTE n’est pas intégrée dans tous les terminaux LTE, mais ceci n’empêche que plusieurs opérateurs vont opter pour elle. Pourtant, elle a le désavantage qu’elle nécessite deux radios à être exécutés en même temps sur le même appareil. Ceci a un impact sérieux sur l’économie de la batterie des terminaux LTE, ce qui diminue l’intérêt des constructeurs des téléphones mobiles par ladite solution. La figure suivante décrit l’architecture de la solution SV-LTE :

Figure 9 : la solution SV-LTE Projet

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Comme le montre la figure, la solution SV-LTE se situe sur le terminal des abonnés LTE ; l’UE choisit, selon le service demandé, de se connecter au réseau d’accès 2G/3G ou le réseau d’accès LTE.

3. La solution dite Voice Over LTE (VoLTE) Pour cette solution [4], la fonctionnalité de la voix est fournie par IMS (IP Multimedia Subsystem) que nous détaillons dans l’annexe 1 à la fin de ce rapport. IMS est une architecture de réseau cœur qui est intégrée au-dessus du réseau LTE. Le réseau IMS est essentiellement utilisé pour fournir les services basiques de la voix qui sont fournis par les réseaux CS existants. En plus de ceci, il offre des services multimédia avancés comme les vidéo-conférences et les jeux en ligne (Real time gaming). L’avantage de cette solution, VoLTE, réside dans le fait qu’elle utilise complétement l’architecture LTE au lieu de s’appuyer sur les réseaux CS. Le réseau IMS est aussi capable d’interagir avec les réseaux 2G /3G et par suite peut supporter la continuité d’appel vocal même si l’abonné quitte la zone de couverture LTE. Cette solution est considérée comme la solution long terme puisqu’elle est capable d’offrir des services avancés pour le réseau LTE et aussi vue sa capacité d’interaction avec les réseaux existants 2G et 3G.

Figure 10 : Architecture réseau dans le cas de déploiement de VoLTE

La figure ci-dessus met en évidence l’architecture réseau impliquée lors du déploiement de l’IMS et la solution VoLTE pour le support de la voix sur LTE. IMS se présente comme une couche de services qui se situe au-dessus du réseau cœur EPC. Le service des appels vocaux est géré par l’entité TAS (Telephony Application Server). Au cours du déploiement initial de LTE, la couverture va être limitée ainsi il est nécessaire de faire interagir le réseau LTE avec les réseaux existants 2G et 3G. Dans ce sens, il y’a deux solutions basées sur IMS pour permettre cette interaction.

 PS Based Solution (Seamless mobility) Dans cette solution, la voix via IMS est implémentée à la fois dans les réseaux LTE et 3G. Durant la perte de couverture LTE, un handover PS est effectué vers le réseau 3G ainsi

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fournissant une mobilité fluide « Seamless Mobility » entre LTE et le réseau 3G. Par conséquent, les sessions de voix et de données qui sont active sont transférées toutes les deux simultanément vers le 3G, ainsi évitant la perte de la voix et données durant toute la période de perte de couverture LTE. La figure suivante met en évidence l’architecture utilisée pour l’approche « PS Based Solution ».

Figure 11 : Architecture réseau et chemin du trafic voix dans un scénario d’utilisation de la solution « PS Based Solution »

 SRVCC/ICS Dans l’approche SRVCC (Single Radio Voice Call Continuity), le contrôle du service des appels vocaux compte sur le réseau IMS. Le serveur d’application de continuité et de centralisation de service (Service Continuity and Centralization Application Server), SCC AS, est l’élément responsable d’accomplissement des appels dans l’IMS. Les messages de signalisation SIP (Session Initiation Protocol) provenant de l’utilisateur attaché au réseau LTE et l’utilisateur de destination sont transmis via le SCC AS. Le mobile se voit aussi attribué un numéro de transfert de session pour SRVCC (Session Transfer Number for SRVCC), STN-SR par le SCC AS durant l’enregistrement initial et il est utilisé durant le handover de l’appel depuis le réseau LTE vers le réseau 2G/3G. La figure suivante résume la procédure utilisée lors d’un transfert de session LTE vers 2G/3G via la solution SRVCC comme définie par le 3GPP.

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Figure 12 : Procédure du Handover dans le cas de la solution SRVCC

Nous résumons la procédure dans les étapes suivantes : 1- L’UE SRVCC initie l’appel vocal vers un autre UE IMS via LTE. 2- L’appel est établi avec succès, avec le flux voix entre les deux UE. 3- La procédure SRVCC se produit lorsque l’UE SRVCC quitte la couverture LTE. Le réseau SAE, le réseau cœur de LTE, informe le MSC SRVCC pour qu’il commence les préparatifs du handover. Le MSC effectue la réservation des ressources. 4- L’UE est informé pour basculer vers 2G/3G. la voix est interrompue durant la procédure de basculement, pour presque 200 ms en T1. 5- Le MSC SRVCC informe l’UE distant afin qu’il reçoit le flux voix depuis le MSC SRVCC et non l’UE SRVCC. 6- L’UE distant bascule la connexion média vers le MSC SRVCC. 7- Le flux voix peut être interrompu encore tout au long de la procédure de basculement décrite, pour presque 800 ms ou plus en T2 dans la figure.

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La SRVCC, et du fait qu’elle est basée sur un Handover depuis le réseau LTE vers les réseaux 2G/3G, présente également un problème lié au temps d’interruption nécessaire pour effectuer le passage de LTE vers 2G/3G. Ainsi, le problème de SRVCC se résume dans le temps d’interruption de la session voix lors du basculement introduit que ce soit au niveau de l’appelé ou de l’appelant. ICS (IMS Centralized Services) est une extension de l’approche SRVCC et mène vers une intégration complète avec les réseaux 2G/3G. L’architecture pour la solution ICS est la même que celle de SRVCC, avec la seule différence que les appels provenant des réseaux 2G/3G dans cette approche sont aussi gérés par le réseau IMS. Ainsi, le « call control » pour les domaines CS (2G/3G) et PS (LTE) est inclus dans IMS, et donc des handover fluides « Seamless Handover » entre 2G/3G et LTE peuvent être faits facilement. ICS rend possible l’utilisation des services IMS pour les accès voix traditionnels du domaine CS. Avec ICS, les sessions utilisateur s’établissent dans le réseau IMS lorsque les équipements utilisateur accèdent via le réseau d’accès CS ou PS.

4. La solution Voice Over LTE via Generic Access (VoLGA) Le standard VoLGA [5] est basé sur le standard existant 3GPP, Generic Access Network (GAN) que nous expliquons en annexe de ce document (Annexe 2), et le but derrière est de permettre aux utilisateurs LTE de recevoir les services de la voix, SMS et d’autres services du domaine CS en basculant entre les réseaux GSM, UMTS et LTE. Les débuts de l’année 2009 ont connu la fondation du forum VoLGA (VoLGA Forum) pour assurer la création des documents de spécification détaillés de la solution et ses évolutions ultérieures. Le concept dans cette quatrième solution de la voix sur LTE est de connecter les MSC existants au réseau LTE via une passerelle (Gateway). Déjà, comme il n’y a pas de « Fallback » vers les réseaux traditionnels, le temps d’établissement d’appels vocaux n’est pas augmenté. Par ailleurs, la QoE (Quality of Experience) vécue avec la solution est consistante puisqu’elle réutilise les environnements de la voix 2G et 3G. Du côté réseau, VoLGA ne nécessite que des améliorations logicielles au niveau des passerelles « Circuit to Packet » entre le domaine CS et le domaine PS qui existent déjà dans le système GAN. Aucune modification n’est demandée au niveau des MSC ou au niveau du réseau cœur LTE ainsi qu’au niveau des nœuds d’accès. En plus, VoLGA permet l’utilisation de la totalité des services du domaine CS dans le réseau LTE sans aucune modification dans le réseau. Du côté mobile, la pile protocolaire développée initialement pour le GAN peut être réutilisée en une grande partie. Les deux principaux ajouts logiciels nécessaires sont l’inclusion de la technologie d’accès LTE comme un Bearer radio ainsi que l’implémentation d’une procédure de Handover modifiée puisque l’approche VoLGA permet un « Smooth Handover » ou une

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mobilité douce des appels vocaux en cours vers les réseaux GSM et UMTS lorsque les abonnés quittent la zone de couverture LTE. Le principe du concept GAN peut se résumer dans l’utilisation du Wi-Fi et Internet comme méthode d’accès aux services du domaine CS. VoLGA réutilise ce principe en remplaçant l’accès Wi-Fi par LTE. Du point de vue mobile, il n’y a pas de différence puisque les deux méthodes d’accès sont basées sur IP.

 La solution VoLGA dans le réseau Le seul élément introduis dans le réseau est le VANC (VoLGA Access Network Controller) présenté en bleu dans la figure suivante, et tous les autres éléments sont réutilisés sans aucune modification.

Figure 13 : Architecture réseau dans le cas d’utilisation de la solution VoLGA (Source : VoLGA Forum)

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Du point de vue LTE, le VANC est connecté au PDN-GW via l’interface standard SGi ; les deux trafics, signalisation et données utilisateur, sont transportés par cette interface. D’un point de vue réseau cœur LTE, le VANC est vu comme tout autre nœud externe basé sur IP et les paquets IP s’échangeant entre un équipement sans fil et le VANC sont transférées de manière transparente à travers le réseau EPC. Du point de vue réseau CS, l’interface A est utilisée pour connecter le VANC au MSC du réseau GSM. L’interface Iu est utilisée pour connecter le VANC au MSC du réseau UMTS. Ainsi, le VANC se voit comme une BSC (Base Station Controller) pour le MSC du GSM, et comme un RNC (Radio Network Controller) pour le MSC de l’UMTS. Comme les deux interfaces A et Iu sont utilisées sans aucune amélioration, les MSC ne sont pas conscients que les mobiles ne sont pas directement connectés par leurs réseaux radio mais via LTE. Par conséquent, aucun changement n’est nécessaire dans ces nœuds pour supporter la voix, le SMS et autres services sur le réseau LTE. La figure suivante englobe les nœuds et les interfaces du réseau VoLGA :

Figure 14 : Nœuds et interfaces réseau impliqués par l’ajout du VANC

 L’enregistrement dans le réseau Lorsqu’un UE est allumé et détecte un réseau LTE il s’enregistre sur la MME via le réseau d’accès LTE. Après ceci, le mobile établit une connexion au VANC. La manière avec laquelle ceci se fait dépend des informations de configuration VoLGA spécifiques stockées dans l’UE. Premièrement, une connexion appropriée IP doit être mise en place. Dans le réseau local, le Bearer par défaut peut être utilisé, mais il est aussi possible d’utiliser un Bearer séparé et une adresse IP pour cette raison. Le nom d’hôte (Hostname) ou l'adresse IP du VANC peut être préconfigurée dans l’UE comme elle peut être récupérée par l’interrogation d’un serveur Projet

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DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) dans le réseau via le Bearer établi pour VoLGA dans l’étape précédente. Une fois l’adresse du VANC est connue, le mobile établit un tunnel IPSec sécurisé vers le VANC sur le réseau radio de LTE à travers le réseau cœur LTE sur l’interface SGi. Au cours du processus, le VANC authentifie l’utilisateur avec l’aide des informations d’authentification stockées dans le HLR/HSS contactés via l’interface D’ située entre les deux entités. Ensuite, l’équipement mobile s’enregistre sur le MSC à travers le tunnel sécurisé qu’il a avec le VANC. Le protocole DTAP (Direct Transfer Application Part) qui est déjà connu sur le réseau GSM/UMTS est utilisé pour cette fin. Les messages sont acheminés via le tunnel de manière transparente entre l’UE et le MSC par tous les composants du réseau impliqués. Le VANC tout simplement ajoute des informations comme l’identificateur de cellule ou Cell-Id (2G), ou l’identificateur de zone de service ou Service Area Identifier (3G) au message d’enregistrement initial conformément aux standards GSM et UMTS respectivement. Ainsi, pour les appels entrants comme pour les appels sortants, le passage par le VANC est obligatoire du fait qu’il est le responsable de la traduction des flux de données de la voix (time slot TDM (64 kbit/s) dans l’interface A dans le cas d’un MSC GSM, ou un flux de données basé sur ATM ou IP dans le cas d’un MSC UMTS) en paquets IP et vice versa.

5. La solution dite Over The Top (OTT) La solution OTT (Over The Top Application) [4], en réalité, n’est pas une solution spécifique à LTE ; En effet, elle est déjà utilisée dans les réseaux 3G/Wi-Fi. L’OTT est complétement transparente au réseau et sort aussi du contrôle des opérateurs. Il s’agit des clients VoIP, du genre Viber, Skype, Tango, Google Talk, etc. Ces outils n’offrent pas le vrai goût de la flexibilité de la voix comme c’est le cas dans d’autres solutions de 3GPP et aussi l’aspect de qualité de service QoS de la voix n’as pas de sens avec cette approche. Toutefois, cette solution va être largement utilisée par les utilisateurs comme un alternatif du fait qu’elle leur offre une flexibilité complète pour choisir les services qu’ils veulent.

Figure 15 : Les clients VoIP Skype, Viber et Tango Projet

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La QoS sur le réseau LTE La QoS dans le réseau LTE [6] est fournie par la notion des Bearer ou supports qui sont une sorte de tuyaux entre les utilisateurs et la PDN-GW ayant pour rôle de distinguer les flux en les identifiant de manière unique ; L’ensemble de trafics dans un même tuyau est traité de la même façon (la même signalisation par exemple). Ces Bearer sont aussi responsables de la priorité affectée à un flux de paquets dans le réseau LTE. Les Bearer s’établissent après le franchissement par succès des phases d’authentification et d’enregistrement de l’utilisateur dans le réseau. Le 3GPP définit l’EPS comme un réseau de transmission orienté connexion, ainsi il exige l’établissement d’une connexion virtuelle entre deux terminaux du réseau (par exemple, un UE et une PDN-GW) avant que tout trafic soit transmis entre les deux. Dans la terminologie d’EPS, cette connexion virtuelle s’appelle EPS Bearer. Un EPS Bearer est caractérisé par : Les deux extrémités en question (souvent un UE et une PDN-GW) ; QCI (QoS Class Identifier), un identificateur de la classe QoS à utiliser pour le trafic concerné ; Une spécification de flux qui décrit le débit garanti et le débit maximum (GBR/MBR) du trafic total qui s’échange via la connexion virtuelle ; Une spécification de filtre qui décrit les flux du trafic (en terme d’adresse IP, protocoles, numéros de port, etc.) pour lesquels le service de transport est fourni entre les deux entités communicantes. La classification de trafic se base sur les paramètres de QoS tels que le délai de transmission, le débit, la gigue, la perte des paquets … et chaque Bearer se voit associé à un TFT (Traffic Flow Template) utilisé pour différentier les types de paquets. Le TFT procède cette classification en se basant sur les paramètres suivants : numéros de port, valeurs de ToS/DSCP (Type of Service/DiffServ Code Point), adresses source et destination, protocole (TCP/UDP). Le réseau LTE définit deux types d’EPS Bearer. Le premier est « Default EPS Bearer » ou EPS Bearer par défaut et le deuxième est « Dedicated EPS Bearer » ou EPS Bearer dédié. On peut les décrire comme suit. i)

ii)

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Default EPS Bearer  Etabli au cours du processus d’attachement  Alloue une adresse IP aux UE  N’as pas de QoS spécifique (uniquement la QoS nominale est appliquée)  Similaire au « PDP context » primaire de l’UMTS Dedicated EPS Bearer  Etabli normalement au cours d’une configuration d’appel après le mode Idle (mais peut être aussi établi au cours de l’attachement)  N’alloue pas d’adresse IP supplémentaire à l’UE de

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 Lié à un Default EPS Bearer  Ayant une QoS spécifique (souvent garantie)  Similaire au « PDP context » secondaire de l’UMTS Une autre classification de Bearer existe et distingue entre les EPS Bearer GBR (Guaranteed Bit Rate) and N-GBR (Non Guaranteed Bit Rate). Comme son nom l’indique le Bearer GBR fournit une QoS garantie aux paquets transportés par ce Bearer. Au contraire, les EPS Bearer N-GBR sont utilisés pour les services qui n’ont pas des contraintes strictes de QoS. Comme déjà mentionné, un EPS Bearer dans le réseau LTE est caractérisé par un ensemble de paramètres dont on cite la QCI (QoS Class Identifier), ARP (Allocation and Retention Priority), le délai de paquet et le débit maximum. La QCI identifie uniquement le type du Bearer fourni à l’utilisateur dans le réseau radio et le réseau cœur. Il est utilisé pour déterminer le type de traitement que doit subir le flux de paquets dans chaque nœud du réseau LTE. L’ARP est utilisé pour déterminer si le Bearer peut être admis et aussi pour libérer les Bearer en se basant sur les niveaux de priorité quand le réseau est congestionné. Le Differentiated Service (DiffServ), le protocole du monde IP est utilisé pour classifier les divers types de services dans le réseau de transport de LTE. L’architecture de DiffServ doit être intégrée avec l’architecture de QoS de LTE pour garantir des bonnes performances de bout en bout. L’ordonnancement de ressources dans le réseau de transport est un autre point important et à prendre en considération du fait qu’il y’a plusieurs stratégies d’ordonnancement comme Weighted Fair Scheduling (WFQ), Strict Priority Scheduling (SPS) et Weighted Round Robin (WRR) qui s’utilisent pour ordonnancer les paquets en se basant sur la priorité de chacun des types de services. L’architecture DiffServ est utilisée par les eNodeB et la PDN-GW pour faire le « mapping » entre la QCI et le DSCP (DiffServ Code Point) dans le sens montant et descendant. L’architecture DiffServ consiste en un ensemble de Per Hop Behaviours (PHB) ou des comportements par nœud qui sont utilisés pour identifier et classifier les paquets et appliquer le traitement QoS approprié dans le réseau de transport. On distingue les classes PHB comme ceci: Expedited Forwarding (EF), Assured Forwarding (AF) et Best Effort (BE). La classe EF possède la plus grande priorité et elle est utilisée généralement pour les services de délai critique comme la signalisation et la voix etc. La classe AF, quant à elle, consiste en un ensemble de sous-classes avec des niveaux de précédence différents correspondant à des niveaux de QoS différents. La classe BE est la classe par défaut et elle a la plus petite priorité.  Les stratégies d’ordonnancement : Le réseau de transport consiste en un ordonnanceur qui assigne la bande passante disponible en se basant sur des priorités et des poids. L’ordonnanceur utilise la classification de paquets sur la base de DSCP afin de former ces stratégies d’allocation de ressources dans le réseau de transport. Il y’a plusieurs stratégies dont nous citons trois.  Strict Priority Scheduling : Dans ce type d’ordonnancement, les paquets sont groupés en quatre niveaux de priorité à savoir « low », « normal », « medium » et « high ». Des paquets qui sont très sensibles au délai se voient donnés le niveau « high ». Le problème Projet

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



de cette stratégie est lorsque le réseau est congestionné par des paquets de priorité « high », le trafic des paquets de priorité moindre sera complétement négligé par le réseau. Weighted Round Robin (WRR) Scheduling : Ce type d’ordonnancement utilise l’ordonnancement classique Round Robin où différents types de services se voient servis de la manière Round Robin (à tour de rôle). La seule différence ici est la présence de la notion de poids qui détermine le nombre de paquets à prendre de la file d’attente. Weighted Fair Scheduling : Dans ce type d’ordonnancement, les paquets sont groupés en plusieurs files d’attente et chacune d’entre elles possède un poids qui détermine la fraction de la bande passante totale disponible.

Les ordonnanceurs radio sur LTE Une fonctionnalité clé de LTE est l’adoption d’un certain nombre de procédures avancées de gestion des ressources radio en guise d’améliorer les performances du système [7]. Les mécanismes d’ordonnancement de paquets, en particulier, jouent un rôle fondamental du fait qu’ils sont responsables de choisir, minutieusement et dans un temps court, comment distribuer les ressources radio entre les différentes stations en prenant en compte les conditions du canal et les exigences de QoS. C’est le concept d’ordonnancement sensible aux canaux (Channel Sensitive Scheduling) introduit dans le système LTE. Ceci peut être achevé par la réalisation d’un compromis optimal entre l’efficacité spectrale et l’équité entre les utilisateurs. Ce but est très difficile à atteindre surtout avec la présence d’applications multimédia temps réel qui sont caractérisées par des contraintes strictes en ce qui concerne le délai des paquets et la gigue. Le réseau d’accès LTE, basé sur l’OFDMA dans le lien descendant, doit supporter une panoplie de services internet et multimédia même dans des scénarios de grande mobilité. C’est pourquoi LTE est conçu de telle sorte à offrir des grands débits de données, une latence très courte et une efficacité spectrale améliorée. Pour supporter tout ceci, le block de gestion des ressources radio (RRM) exploite un amalgame de fonctions des couches MAC et physique comme le partage de ressources, le reporting d’indicateur de qualité de canal CQI (Channel Quality Indicator), l’adaptation de lien par le biais de l’AMC (Adaptive Modulation and Coding). Dans ce contexte, la conception de stratégies effectives d’allocation des ressources s’avère importante. En effet, l’utilisation efficace des ressources radio est essentielle pour atteindre les performances visées du système ainsi que pour subvenir les besoins des utilisateurs en terme de qualité de service. L’ordonnanceur de paquets se situe au niveau de la station de base radio de LTE, l’eNodeB, et il se charge d’affecter des portions du spectre partagé entre les utilisateurs en suivant de politiques spécifiques. L’ordonnanceur joue aussi un autre rôle qui se manifeste dans la maximisation de l’efficacité spectrale via une allocation effective de ressources qui réduit, voire rendre négligeable, l’impact de coupure ou suspension de qualité canal. En effet, la qualité canal dans les liens radio est assujettie à une grande variabilité dans le domaine

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temporel et fréquentiel à cause de plusieurs effets, comme l’évanouissement, la propagation multi-trajets, etc. Pour ces raisons, des solutions conscientes de l’état du canal sont souvent adoptées dans le cadre de l’OFDMA du fait qu’elles peuvent exploiter les variations de qualité canal par l’affectation d’une grande priorité aux utilisateurs qui expérimentent des bonnes conditions de canal. Toutefois, plusieurs problèmes surgissent lors de la conception de telles solutions dans le réseau LTE, allant de la fourniture d’une grande capacité aux cellules jusqu’à la satisfaction de l’équité entre les utilisateurs et les exigences de QoS. Plusieurs stratégies d’allocation et d’ordonnancement sont introduites dans le système LTE. Nous présentons dans cette étude trois parmi elles : PF (Proportional Fair), M-LWDF (Modified Largest Weighted Delay First) et EXP-PF (Exponential Proportional Fair) qui seront l’objet de notre simulation avec l’outil LTE-Sim décrit dans la partie qui suit. L’allocation des ressources radio dans le domaine temporel se fait chaque TTI (Time Transmission Interval) qui dure une milliseconde. Et chaque TTI est composé de deux intervalles de temps de 0.5 ms, correspondants à 14 symboles OFDM dans la configuration par défaut. Dix TTI consécutifs forment une trame LTE. Quant au domaine fréquentiel, la bande totale est divisée en sous-canaux de 180 kHz, correspondants à 12 sous-porteuses consécutives et également espacées. Une ressource radio temps/fréquence s’étendant sur plus d’un intervalle de temps de 0.5 ms dans le domaine temporel et sur plus d’un sous-canal dans le domaine fréquentiel est appelée block de ressource RB (Resource Block) et correspond à la ressource radio la plus petite qui peut être assignée à un UE pour la transmission des données.

6. Le fonctionnement de l’ordonnanceur Nous nous intéressons au fonctionnement de l’ordonnanceur dans le sens descendant mais ceci reste semblable au sens montant. Au début de chaque sous-trame, l’ordonnanceur sélectionne tous les flux de données qui peuvent être ordonnancés. Un flux de données peut être ainsi si et seulement s’il a des paquets de données à transmettre à la couche MAC et l’UE de destination (puisqu’on est dans le sens descendant) n’est pas dans le mode veille (Idle Mode). Chaque TTI, l’ordonnanceur calcule une métrique pour chaque flux de données qui peut être ordonnancé. Nous désignons dans la suite de l’étude par 𝑤𝑖,𝑗 la métrique assignée au flux de données i pour le 𝑗 è𝑚𝑒 sous-canal. Les algorithmes d’ordonnancement diffèrent dans la manière avec laquelle cette métrique se calcule. L’ordonnanceur veille à assigner chaque 𝑗 è𝑚𝑒 sous-canal au flux de données qui a la plus grande 𝑤𝑖,𝑗 . Pour calculer la métrique, les algorithmes d’ordonnancement ont souvent besoin de connaitre le débit moyen de transmission des données 𝑅𝑖 de l’𝑖 è𝑚𝑒 flux de données, et le débit instantané disponible de l’UE de destination pour le 𝑗 è𝑚𝑒 sous-canal. Cette information Projet

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est importante vu que la métrique va prendre en compte la performance garantie dans le passé pour chaque flux de données dans le but d’avoir une certaine répartition équitable. Les trois algorithmes qui entrent dans le cadre de notre étude comparative et comme déjà cité sont les suivants : PF, M-LWDF et EXP-PF. 1. L’ordonnanceur PF (Proportional Fair) : il assigne la ressource radio en prenant en compte la qualité canal expérimentée et le débit de l’utilisateur dans le passé. Le but est de maximiser le débit total du réseau et assurer une certaine équité entre les différents flux de données. Pour cet ordonnanceur, la métrique est définie comme le rapport du débit instantané disponible 𝑟𝑖,𝑗 par le débit moyen de données dans le passé : 𝑟𝑖,𝑗 𝑤𝑖,𝑗 = 𝑅𝑖 Où 𝑟𝑖,𝑗 est calculé par le module AMC (Adaptive Modulation and Coding) en prenant en compte le feedback CQI qu’envoie l’UE hébergeant l’𝑖 è𝑚𝑒 flux au 𝑗 è𝑚𝑒 sous-canal ; et 𝑅𝑖 est le débit moyen de données estimé. 2. L’ordonnanceur M-LWDF (Modified Largest Weighted Delay First) : il supporte multiple utilisateurs de données avec des exigences de QoS variées. Pour chaque flux de données temps réel, en considérant un délai de paquets seuil τ𝑖 , la probabilité δ𝑖 est définie comme la probabilité maximale pour que le délai D𝐻𝑂𝐿,𝑖 du premier paquet à transmettre dans la queue (Head Of Line Packet) dépasse le délai seuil. Pour prioriser les flux de données temps réel avec le délai D𝐻𝑂𝐿,𝑖 le plus grand et les meilleures conditions canal, la métrique est calculée comme suit : 𝑟𝑖,𝑗 𝑤𝑖,𝑗 = 𝛼𝑖 D𝐻𝑂𝐿,𝑖 × 𝑅𝑖 Où 𝑟𝑖,𝑗 et 𝑅𝑖 ont la même signification dans l’équation précédente et 𝛼𝑖 est donnée par l’équation : log δ𝑖 𝛼𝑖 = − τ𝑖 Pour les flux de données non temps réel, la métrique considérée est celle du simple PF. Il est à noter que dans le cadre de l’allocation M-LWDF, les paquets appartenant à un flux de données temps réel sont supprimés de la queue MAC s’ils ne sont pas transmis avant l’expiration de leur deadline. Cette opération est nécessaire pour éviter le problème de gaspillage de la bande passante. Cette implémentation n’existe pas pour le PF qui n’est pas conçu pour les services temps réel. 3. L’ordonnanceur EXP-PF : il a été conçu pour augmenter la priorité des flux de données temps réel tout en respectant ceux qui ne le sont pas. Pour les flux de données temps réel la métrique est calculée en utilisant l’équation suivante : 𝑟𝑖,𝑗 𝛼𝑖 D𝐻𝑂𝐿,𝑖 − 𝜒 𝑤𝑖,𝑗 = exp( )× 𝑅𝑖 1 + √𝜒 Où les symboles ont la même signification qu’avant et 𝑁𝑟𝑡

1 𝜒= ∑ 𝛼𝑖 D𝐻𝑂𝐿,𝑖 𝑁𝑟𝑡 𝑖=1

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Avec 𝑁𝑟𝑡 est le nombre de flux de données temps réel actifs dans le sens descendant. Et pour les flux de données non temps réel, la métrique considérée est celle du simple PF. La suppression des paquets après l’expiration de leur deadline se fait de la même manière qu’avec le M-LWDF. Pour comparer les trois ordonnanceurs radio choisis dans le cadre de cette étude nous avons utilisé le simulateur open source LTE-Sim qui s’est avéré le plus intéressant parmi un certain nombre d’outil de simulation du réseau LTE. 

Evaluation des performances des ordonnanceurs en question :

Nous avons fait deux scénarii de simulation avec l’outil LTE-Sim ; nous avons essayé qu’ils soient les plus proches de la réalité et ceci à a limite des fonctionnalités possible avec l’outil. Le premier scenario modélise le cas d’une seule cellule dans un environnement bruité par l’interférence des cellules adjacentes (Single Cell With Interference). Le deuxième décrit un environnement multi-cellules où les UE se déplacent librement entre les cellules (Multi Cell). Pour le premier scénario on considère un environnement constitué de trois cellules (un motif à trois), avec un rayon de 1 Km et où un ensemble d’UE (choisis dans l’intervalle [5-25]) sont uniformément distribués dans une cellule, les deux autres cellules étant une source d’interférences pour la première. Les UE se déplacent dans la cellule en suivant le modèle de mobilité aléatoire (Random Mobility Walk Model). Pour le deuxième scénario, nous avons choisi également un environnement de trois cellules, mais la différence consiste dans la mobilité des UE entre les trois cellules en suivant le même modèle de mobilité qu’avant. Le nombre des UE en question est choisi entre 10 et 30. Chaque utilisateur reçoit un flux vidéo H.264, un flux de VoIP, et un flux BE modélisé par l’application tampon infinie (Infinite Buffer).

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Les performances des ordonnanceurs PF, M-LWDF et EXP-PF sont analysées par cette simulation. La figure ci-contre montre le taux de perte des paquets PLR (Packet Loss Ratio) qu’ont connu le flux vidéo et le flux VoIP dans le premier scénario. Nous notons la différence entre les ordonnanceurs conçus pour les trafics temps réel (M-LWDF et EXP/PF) et l’ordonnanceur traditionnel PF. Quand les ordonnanceurs M-LWDF et EXP sont utilisés, le PLR augmente avec le nombre des UE (pour le flux vidéo l’augmentation commence déjà de 5 UE et pour la VoIP après une certaine valeur critique du nombre des utilisateurs). La raison de cette augmentation revient au fait que dans un scénario de grande concurrence de flux temps réel la probabilité de suppression de paquets après l’expiration d’un deadline augmente. L’ordonnanceur PF pour le flux vidéo présente un comportement similaire aux autres ordonnanceurs, voire même une augmentation plus importante avec le nombre des UE. Par contre, pour la voix, PF donne de bons résultats par rapport aux autres. Ceci est dû au fait que dans un scénario où le facteur de charge est grand, PF peut exploiter les gains de diversité multi-utilisateurs ce qui réduit la probabilité de perte au niveau de la couche physique.

Figure 16 : PLR des flux vidéo et VoIP du premier scénario

Approximativement les mêmes comportements des ordonnanceurs se reproduisent dans le deuxième scénario.

Figure 17 : PLR des flux vidéo et VoIP du deuxième scénario

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Le délai des paquets est aussi traité dans le cadre de notre comparaison ; la figure ci-dessous montre les résultats du délai dans le cas du premier scénario et qui ne diffèrent pas de ceux du deuxième scénario.

Figure 18 : Délai de paquets des flux vidéo et VoIP du premier scénario

Pour le flux vidéo l’ordonnanceur PF s’avère inadéquat du fait que le délai augmente de manière très significative avec le nombre des UE. Pour le flux voix c’est l’ordonnanceur EXP/PF qui l’emporte du point de vue performance du fait que l’impact de l’augmentation des UE sur le délai reste minime dans le cas d’utilisation de stratégie d’ordonnancement basée sur cet ordonnanceur. La figure qui suit met en évidence l’efficacité spectrale concernant les scénarii LTE choisis ; elle mesure le débit total de tous les utilisateurs divisé par la bande passante disponible. Comme prévu, les trois ordonnanceurs présentent des comportements différents ; l’efficacité spectrale diminue avec l’augmentation de la charge sur le réseau. Les ordonnanceurs conscients des exigences QoS comme M-LWDF et EXP/PF essaient toujours de garantir les contraintes de Qualité de service pour un grand nombre d’utilisateurs ce qui affecte négativement l’efficacité du système. Mais même avec ceci, les deux ordonnanceurs restent meilleurs que l’ordonnanceur PF qui présente des faibles performances là-dessus.

Figure 19 : Efficacité spectrale dans les deux scénarii LTE choisis

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La conclusion que nous tirons de cette comparaison d’ordonnanceurs radio dans un contexte de flux temps réel est que les deux ordonnanceurs M-LWDF et EXP/PF sont les plus calés et les mieux adaptés pour desservir les abonnées LTE dans les bonnes conditions de délai, de perte de paquets et d’équité entre les différents utilisateurs. Ils permettent aussi de réaliser l’un des principaux objectifs de LTE en général et la solution VoLTE basée sur l’IMS en particulier et qui est l’augmentation de l’efficacité spectrale. EXP/PF qui n’est qu’une amélioration de l’algorithme M-LWDF reste le plus performant dans un contexte de voix sur le réseau LTE et mérite d’être implémenté au niveau des eNodeB du réseau d’accès E-UTRAN.

 Conclusion du chapitre Le présent chapitre a mis en évidence les solutions de support de la voix sur le réseau LTE, à savoir CSFB, SV-LTE, VoLTE, VoLGA et l’OTT. Nous avons également mis l’accent sur la gestion de QoS sur LTE et sur certains ordonnanceurs radio qui étaient l’objet d’une comparaison dans un contexte de transmission de flux temps réel et ceci via une simulation avec l’outil LTE-Sim. Le chapitre à venir donnera les résultats de l’étude comparative que nous avons menée entre les solutions standards que nous avons présentées dans le présent chapitre.

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Chapitre 3 : Etude comparative des solutions standards de support de la voix sur LTE

L’objectif de ce chapitre est de mettre en évidence les résultats de l’étude comparative que nous avons menée entre les différentes solutions standards loin de toutes modifications et améliorations faites par les équipementiers. Pour ce faire, nous avons choisi un ensemble de critères jugés nécessaires et suffisants pour s’arrêter sur la consistance de chacune des solutions. Les critères choisis et dans l’ordre de leur importance sont les suivants : La facilité/rapidité de déploiement, la QoS/QoE, le coût de solution, l’influence sur les réseaux existants, le point de vue de la communauté télécom (opérateurs et constructeurs) et le dernier critère est la charge dans le réseau. Les résultats de la comparaison multicritère faite sont considérés confidentiels par la société INGECYS Telecom et du coup, ils ne seront pas présentés dans ce document.

Mots clés : comparaison multicritère (voir Annexe 3).

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 Conclusion du chapitre Dans ce chapitre nous avons étudié pour chaque solution standard de support de la voix sur LTE, son degré de réponse à un ensemble de critères. Ceci nous a permis de mener une comparaison multicritère entre lesdites solutions. Dans le chapitre suivant, nous allons finir par l’étude des propositions des équipementiers Huawei, Ericsson et NSN dans ce sens.

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Chapitre 4 : Visions des équipementiers et solutions propriétaires de support de la voix sur LTE

Ce chapitre est consacré à la présentation des visions des constructeurs Huawei, Ericsson et Nokia Siemens Networks sur le service de la voix dans le cadre de la technologie LTE. Nous nous proposons dans cette partie de détailler les propos desdits équipementiers concernant la voix sur LTE, notamment les solutions pour lesquelles ils optent et les étapes de déploiement selon leurs visions, tout en touchant aux documentations officielles profilant le thème de la voix sur LTE. [8] Cette partie de l’étude est également considérée confidentielle ce qui fait qu’elle ne sera pas présentée sur ce document.

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 Conclusion du chapitre Dans ce chapitre nous avons mis l’accent sur les visions des équipementiers Huawei, Ericsson et NSN en ce qui concerne la voix sur LTE. Nous avons présenté quelques aspects de particularité de chaque solution et nous avons essayé de mettre évidence les parties prenantes de leur documentations officielles profilant le thème d’intégration du service de la voix sur la technologie LTE.

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Conclusion générale

Ce projet de fin d’étude nous a constitué une réelle opportunité de s’arrêter sur un ensemble de connaissances acquises durant le cycle d’ingénieur à l’INPT. Il nous a également familiarisés avec la quatrième génération des télécommunications en nous permettant de bien comprendre la norme LTE et les différents aspects qu’elle introduit. Ce stage, par ailleurs, nous a servis de moyen pour développer plusieurs qualités aussi au niveau professionnel qu’au niveau personnel. En effet, ce travail a permis de raffiner nos capacités d’analyse et ancrer nos connaissances des réseaux de la nouvelle génération. En outre, il a permis d’acquérir une méthodologie de travail pertinente et un véritable esprit de responsabilité grâce à l’encadrement exigent que nous avons vécu à INGECYS Telecom et qui intègre au projet des contraintes de de délai et de qualité. Ledit projet nous a donné aussi l’occasion de toucher aux documentations officielles des équipementiers de grande envergure et détenant le marché du Télécom au niveau national, Huawei, Ericsson et Nokia Siemens Networks. Les perspectives de ce projet consistent surtout en la complétion de l’étude en la poussant encore plus loin, et ceci par l’intégration cette-fois ci, des opérateurs de la téléphonie mobile au niveau national. On prévoit aussi se lancer dans des tests sur terrains en collaboration avec les opérateurs télécom afin de renforcer les résultats de ladite étude.

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Bibliographie & Webographie [1], LTE + SAE = EPS, Principes et Architecture. (s.d.). http://www.efort.com. [2], Interfaces-and-their-protocol-stacks. (2012). Récupéré sur LTE AND BEYOND: http://lteandbeyond.com/2012/01/interfaces-and-their-protocolstacks.html [3], Circuit Switched (CS) fallback in Evolved Packet System. (2011). 3GPP TS 23.272 V10.3.1. [4], 3GPP Long Term Evolution (LTE). (2013). Récupéré sur 4G LTE World: http://4g-lte-world.blogspot.com/search/label/VoLTE [5], Martin, S. (August 2009). Voice Over LTE via Generic Access (VoLGA)Whitepaper [6], KHAN, F. (2009). LTE for 4G Mobile Broadband. Cambridge. [7], Guiseppe Piro, L. G. (2010). Simulating LTE Cellular Systems. [8], Documents internes de la société INGECYS Telecom.

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Index 3GPP : 3rd Generation Partnership Project, 9, 12, 17, 20, 25, 27, 30, 31, 48, 49, 61, 62, 65, 66, 72, 75, 78 AF : Assured Forwarding, 32 AMC : Adaptive Modulation and Coding, 33, 35, 83 ARP: Allocation and Retention Priority, 32 ATCA Advanced Telecommunications Computing Architecture, 70, 73, 74, 85 BE : Best Effort, 32, 36, 83 COTS : Commercial-Off-The-Shelf, 70, 73, 74, 85 CS : Circuit Switched, 4, 7, 22, 23, 24, 27, 28, 29, 41, 42, 43, 45, 46, 48, 49, 51, 52, 60, 63, 66, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 75, 79, 82 CSCF : Call Session Control Function, 16, 45, 69, 73, 78, 79, 80, 81 CSFB : Circuit Switched Fallback, 4, 5, 6, 7, 8, 23, 39, 41, 42, 43, 44, 48, 50, 51, 58, 60, 61, 62, 63, 65, 66, 67, 68, 70, 71, 72 DHCP : Dynamic Host Configuration Protocol, 29 EF : Expedited Forwarding, 32 eNodeB : evolved Node B, 13, 14, 15, 16, 17, 19, 22, 32, 33, 39, 42, 83 EPC : Evolved Packet Core, 12, 13, 20, 24, 29, 48, 63, 66, 69, 83 EPS : Evolved Packet System, 12, 13, 14, 15, 19, 20, 31, 32, 75 E-UTRAN : Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network, 12, 13, 16, 20, 39, 41, 69, 83 EXP-PF : Exponential-Proportional Fair, 34, 35, 37 GAN : Generic Access Network, 27, 28, 48, 49, 82 GBR : Guarateed Bit Rate, 31, 32, 63 GSM : Global System for Mobile Communication, 16, 22, 23, 27, 29, 30, 41, 46, 48, 49, 51, 60, 62, 66, 67, 68, 80, 82 GWCN : Gateway Core Network, 62 HLR : Home Location Register, 16, 30, 73, 79 HSS : Home Subscriber Server, 13, 14, 16, 17, 30, 73, 79, 81 ICS : IMS Centralized Services, 25, 27, 45, 46, 47

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IMS : IP Multimedia Subsystem, 15, 16, 24, 25, 26, 27, 39, 45, 46, 48, 50, 56, 58, 60, 63, 66, 67, 69, 70, 71, 72, 73, 78, 79, 80, 81, 82 LA : Location Area, 62 LAU : Location Area Update, 62 LTE : Long Term Evolution, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 36, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 45, 46, 48, 49, 51, 52, 53, 54, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 83 MAC : Meduim Access Control, 33, 34, 35 M-LWDF : Modified-Largest Weighted Delay First, 34, 35, 36, 37, 38, 39 MME : Mobility Management Entity, 13, 14, 16, 17, 19, 22, 29, 41, 42, 61, 62, 63, 65, 66, 68, 73, 83 MMTel : MultiMedia Telephony server, 66, 67, 69 MOCN : Multi-Opertor Core Network, 62 MSC : Mobile Switching Center, 22, 26, 27, 29, 30, 41, 42, 48, 63, 65, 66, 68, 71, 72 MVNO : Mobile Virtual Network Operator, 62 NAS : Non-Acces-Stratum, 16, 19, 20 N-GBR : Non-Guaranteed Bit Rate, 32 NSN : Nokia Siemens Networks, 3, 6, 7, 9, 58, 70, 71, 72, 73, 74 OCS : Open Core System, 7, 70, 73, 74 OFDMA : Orthogonla Frequency Division Multiple Access, 20, 33, 34 OTT : Over The Top, 4, 5, 8, 30, 39, 54, 55, 56, 60, 70 PCRF : Policy Charging and Rules Function, 13, 15, 16, 48, 50, 73 PDCP : Packet Data Convergence Protocol, 19 PDN-GW : Packet Data Network Gateway, 13, 14, 15, 17, 28, 30, 31, 32 PDP : Packet Data Protocol, 31 PF : Proportional Fair, 34, 35, 36, 37, 38, 39 PHB : Per Hop Behavior, 32 PLR : Packet Loss Ratio, 7, 37 PS : Packet Switched, 7, 23, 24, 25, 27, 45, 49, 51, 66, 68, 73, 79 QCI : QoS Class Identifier, 15, 31, 32 QoS : Quality of Service, 4, 5, 15, 19, 21, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 38, 39, 40, 41, 42, 44, 45, 47, 48, 50, 51, 53, 54, 56, 78 RAT : Radio Access Technology, 67

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RB : Resource Block, 34 RCS : Rich Communication Suite, 45, 66, 69 RLC : Radio Link Control, 19 RNC : Radio Network Controller, 29, 48 RRC : Radio Resource Control, 16, 19 RRM : Radio Resource Management, 33 S1AP : S1 Application Protocol, 20 SAE : System Architecture Evolution, 12, 18, 26, 75 SCC AS : Service Centralization and Continuity Application Server, 25 SC-FDMA : Single Carrier Frequency Division Multiple Access, 20 SCTP : Stream Control Transmission Protocol, 16, 17, 19 SGSN : Serving Gateway Support Node, 14, 42, 61, 73 SGW : Serving Gateway, 13, 14, 15, 16, 17 SIP : Session Initiation Protocol, 16, 25, 46, 79, 80, 82 SPS : Strict Priority Scheduling, 32 SRVCC : Single Radio Voice Call Continuity, 7, 25, 26, 27, 45, 46, 47, 64, 65 STN-SR : Session Transfer Number for SRVCC, 25

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STP : Signaling Transfer Point, 73 SV-LTE : Simultaneous Voice and LTE , 23, 39, 51 TA : Tracking Area, 62 TTI : Transmission Time Interval, 34 UE : User Equipment, 13, 14, 15, 16, 19, 20, 23, 24, 26, 29, 30, 31, 34, 35, 36, 37, 38, 41, 48, 51, 62, 69, 79, 82, 83 UMTS : Universal Mobile Telecommunications System, 12, 16, 22, 27, 29, 30, 31, 41, 42, 46, 48, 49, 51, 60, 61, 62, 66, 78, 80, 82 USN : Unified Serving Node, 61 VANC : VoLGA Access Network Controller, 7, 28, 29, 30, 48, 49 VoIMS : Voice over IMS, 4, 45, 46, 60 VoLGA : Voice over LTE via Generic Access, 4, 5, 7, 8, 27, 28, 29, 39, 48, 49, 50, 51, 75, 82, 84 VoLTE : Voice over LTE, 4, 5, 6, 7, 8, 24, 39, 45, 46, 47, 52, 58, 60, 63, 64, 66, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75 WFQ : Weighted Fair Queuing, 32 WRR : Weighted Round Robin, 32, 33

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Annexes Annexe 1 : IMS (IP Multimedia Subsystem) IMS est une architecture réseau conçue par le 3GPP dans le but de fournir une plateforme de livraison de services qui représente une composante clé des réseaux de la nouvelle génération NGN (Next Generation Network) du fait qu’il permet la migration de la téléphonie vers l’Internet et du coup la réalisation d’une certaine convergence et coexistence entre les deux Business Model Télécom et Internet.  L’architecture IMS : L’architecture IMS peut être structurée en couches. Quatre couches importantes se présentent dans ce sens : ♦ La couche d’accès : qui peut représenter tout accès haut débit tel que : UTRAN de l’UMTS, CDMA2000, xDSL, Wi-Fi, etc. ♦ La couche transport : qui représente un réseau IP. Ce réseau peut implémenter des mécanismes de QoS avec MPLS, DiffServ, RSVP, etc. cette couche consiste en un ensemble de routeurs reliés par un réseau de transmission. ♦ La couche contrôle : qui consiste en un ensemble de contrôleurs de session responsables du routage de la signalisation entre les utilisateurs et de l’invocation des services. Ces nœuds sont les CSCF (Call Session Control Function). ♦ La couche application : qui introduit les services à valeur ajoutée proposés aux utilisateurs. Ces services peuvent être fournis par l’opérateur lui-même ou par des acteurs tiers. L’architecture réseau globale IMS est comme suit :

Figure 37 : Architecture réseau globale après le déploiement de l’IMS Projet

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 Les entités fonctionnelles de l’IMS :  UE : le mobile d’utilisateur est le terminal IMS qui peut utiliser différentes technologie d’accès pour se connecter au réseau des services. Pour cette fin, l’implémentation du protocole SIP (Session Initiation Protocol), qui présente le cœur de la signalisation de l’IMS, est nécessaire. Le terminal IMS est doté d’une identité particulière, une identité IMS qui identifie l’abonné de manière unique dans le réseau et définit l’ensemble des services que l’abonné peut utiliser selon le profil d’abonné préenregistré dans l’entité HSS.  HSS : le HSS (Home Subscriber Server) est une base de données centrale qui contient les informations sur les clients et les services. Il s’agit des informations du genre : données de localisation des abonnés, les profils d’abonnés, l’authentification des terminaux. Le HSS est une sorte de HLR évolué qui rassemble les fonctions du HLR du domaine CS et du domaine PS. L’entité HSS, elle aussi supporte le protocole SIP qui lui sert de moyen de communication avec les serveurs d’application basés sur SIP.  CSCF : les CSCF (Call Session Control Function) sont des entités clés dans l’architecture du réseau IMS. Ce sont des serveurs SIP et les types de base sont au nombre de trois : Proxy (PCSCF), Interrogating (I-CSCF) et Serving (S-CSCF).

Figure 38 : les entités CSCF de l’IMS

♦ P-CSCF : c’est le premier point de contact pour les UEs du point de vue signalisation ; tout le trafic SIP de ou vers l’UE passe par lui. De ce fait, il fait la gestion de l’authentification des utilisateurs et la sécurité des échanges et génère aussi des informations pour la facturation. ♦ I-CSCF : ce serveur se situe à la frontière du domaine administratif d’un réseau donné ; sa tâche se résume dans la gestion de la signalisation inter-domaines. Il permet d’obtenir la localisation des utilisateurs du HSS et trouve le S-CSCF approprié et lui transmet les messages SIP.

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♦ S-CSCF : c’est le serveur qui joue le rôle du nerf dans l’architecture IMS (tous les messages passent par lui). Il gère les fonctions de contrôle de sessions, les inscriptions des clients et se charge de trouver les serveurs d’applications appropriés.  AS : l’AS (Application Server) ou serveurs d’application présentent les fonctionnalités offertes à IMS. Ces serveurs n’appartiennent pas dans leur totalité à l’opérateur IMS. Ils fournissent des services à valeur ajoutée VAS (Value Added Services) en profitant des avantages de l’IMS. Les services offerts peuvent être des services nouvellement développés comme ils peuvent être des services traditionnels du monde GSM et UMTS. Ceci est possible par l’introduction des architecture CAMEL (Customized Application for Mobile networks Enhanced Logic) pour 2G et OSA (Open Service Architecture) pour 3G, qui permettent à offrir des APIs pour accéder aux fonctions réseaux existantes et définir des services en se basant sur les standards des services GSM et UMTS.  La gestion de l’identité des utilisateurs : Dans n’importe quel réseau il est important d’identifier les utilisateurs d’une manière unique. IMS se base sur les identités SIP (les SIP URI) du type : sip : [email protected] Il est à noter que deux types d’identités existent : identité(s) publique(s) et identité privée. Un utilisateur peut avoir une ou plusieurs identités publiques, avec la possibilité de les classer en groupes tels que : amis, travail, famille … ceci permet d’activer des services pour une ou plusieurs identités publiques. Ces identités sont utilisées pour le routage de la signalisation. Les identités publiques sont liées à une seule identité privée de l’utilisateur. Elle ne sert qu’à l’identification et l’authentification de l’utilisateur avec l’opérateur. Son format est comme suit : [email protected] L’identité privée et au moins une identité publique sont stockées dans la carte puce : SIM, USIM de l’UMTS et ISIM de l’IMS.

Figure 39 : la carte puce d’identité des abonnés IMS

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Le HSS stocke les informations sur les profils des abonnés et fait le lien entre l’identité privée et les identités publiques et il les envoie au S-CSCF lors de l’enregistrement. Un profil d’abonné contient : une ou plusieurs identités publiques, les autorisations services et un ensemble de critères de filtrage (Filter Criteria) qui présente la plus importante partie dans la livraison de services dans IMS ; en effet, ces critères de filtrage déterminent pour chaque utilisateur, quand un service est appelé et quel serveur d’application AS il faut contacter pour cela.

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Annexe 2 : Le système GAN (Generic Access Network) Le GAN sur lequel est fondée la solution VoLGA, est un système de télécommunication qui étend la voix sur mobile, les données et les applications de l’IMS/SIP sur les réseaux IP. Une des applications les plus populaires de GAN est la solution dite « Wi-Fi Enabled Phones » ou les mobiles supportant le Wi-Fi ; pour ces mobiles basés sur GAN en Dual-mode, tous les services sont ou bien disponibles via le réseau GSM/UMTS, ou via le WiFi en local ou dans des places publiques (hot spot), le basculement entre les deux technologies étant complétement transparent aux utilisateurs. GAN exige l’utilisation des UE en Dual-mode ayant à la fois une interface radio GSM/UMTS et une interface Wi-Fi. De tels équipements sont disponibles aujourd’hui via de nombreux équipementiers dont on cite Samsung, Nokia, Sagem, LG, HTC, Motorola, Sony-Ericsson et RIM (BlackBerry). Lorsque ces mobile Dual-mode détectent la disponibilité d’un réseau Wi-Fi convenable, un Wi-Fi local ou un « hot spot » publique par exemple, ils s’y connectent et s’enregistrent dans le réseau cœur GSM/UMTS via le lien Wi-Fi et Internet. Une passerelle GAN connecte, de manière sécurisée, l’abonné à l’infrastructure du réseau de l’opérateur ainsi des appels vocaux et d’autres services CS comme SMS sont transportés en toute sécurité depuis le mobile vers la passerelle à travers la liaison Wi-Fi et le réseau d’accès Internet.

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Annexe 3 : L’outil de simulation LTE-Sim LTE-Sim qui est le fruit du travail d’une grande équipe italienne de professeurs chercheurs qui travaillent encore sur le projet pour améliorer les performances du simulateur ainsi que pour le développement de nouveaux modules. LTE-Sim rassemble plusieurs aspects des réseaux LTE incluant à la fois le réseau d’accès, l’E-UTRAN, et le réseau cœur EPC. Il supporte des environnements à cellule unique ou multi-cellules, la gestion de qualité de services, un environnement multi-utilisateurs, la mobilité des utilisateurs, les procédures de handover et les techniques de réutilisation de fréquences. Trois nœuds réseaux sont modélisés : le mobile d’utilisateur UE, l’eNodeB et la MME/GW. Au niveau de la couche d’application, quatre générateurs de trafics ont été implémentés :  Le générateur « Trace-Based » : il envoie des paquets suivant un mode réaliste de trace de fichiers vidéo.  Le générateur ON-OFF de la VoIP : il génère les flux G.729 pour la voix. En particulier, la voix sous le simulateur LTE-Sim a été modélisée par une chaine ce Markov ON/OFF et qui consiste en gros d’envoyer de manière périodique des paquets de taille 20 octets tous les 20 ms (ce qui correspond à un débit de 8Kbits/s réglable).  Le générateur CBR (Constant Bit Rate) : il génère des paquets avec un débit source constant. En particulier, la taille des paquets peut être définie pour ce type de trafic.  Le générateur « Infinite Buffer » : il modélise une source qui a toujours des paquets de données à envoyer. Ce générateur permet la modélisation du trafic des classes de services BE (Best Effort). Pour chaque type de trafic, une classe dédiée a été développée, nommée TraceBased, VoIP, CBR et InfiniteBuffer. En outre, l’outil LTE-Sim déploie un ensemble d’aspect radio qui le rend riche et capable de simuler des scénarios de la réalité. Nous citons de ces aspects les stratégies d’ordonnancement, les schémas AMC (Adaptive Modulation and Coding), les feedback CQI (Channel Quality Indicator), les techniques de réutilisation de fréquences et les modèles de la couche physique.

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Annexe 4 : Méthode de comparaison multicritères La comparaison multicritères se décompose en un ensemble d’étapes comme suit :     

Choix des critères à prendre en compte pour juger du degré de satisfaction des attentes pour chaque solution ou offre ; Décomposition plus fine des critères en sous-critères ; Pondération des critères retenus ; Notations des critères de chaque offre ; Consolidation du tableau de comparaison et conclusion.

Le choix des critères reste l’étape la plus importante et une distinction intéressante est faite dans ce sens entre les critères de choix et les critères d’élimination. Bien avant la définition des critères de choix, il est conseillé de définir les critères d’élimination. Ceux-ci permettent déjà de faire un premier tri ; Certaines offres vont peut-être ne pas répondre à des spécifications qui ont été clairement exprimées et qui sont incontournables. Ceci évite de procéder à l’analyse d’une solution alors qu’elle a une caractéristique éliminatoire. Dans notre cas d’étude, l’illustration d’une telle solution est la solution VoLGA, mais nous l’avons laissée exprès pour s’arrêter sur ses différents aspects, autres que l’avis de la communauté télécom qui lui était le critère d’élimination. Une étape assez importante que le choix des critères est la pondération. Après avoir dégagé les critères de choix, la grille de comparaison doit être finalisée en définissant le poids qu’auront ces critères. On passe alors de l’approche qualitative à l’approche quantitative. La notation, elle, peut se faire de plusieurs manières mais l’essentiel c’est de voir, pour chaque critère, le degré de réponse de la solution aux différents sous-critères. Le tableau suivant donne un exemple de tableau de récapitulation des résultats de la comparaison multicritères. Critères Critère 1 Critère 2 Critère 3

Poids

Solution 1

Solution 2

Solution 3

Solution 4

Scores

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