Formation Les Réseaux Mobiles en 2021 : du GSM à la 4G/4G+/5G

Objectifs Pédagogiques:

Concrètement, à l’issue de cette formation « Les réseaux mobiles en 2021 : de la 2G à la 5G », vous serez en mesure de:

• Savoir décrire l’évolution des techniques et des usages associées aux réseaux radiomobiles qui existent depuis 1990, qu’ils soient de type 2G, 3G, 4G et bientôt 5G
• Comprendre et ces évolutions proposées en matière d’architecture, de protocoles, d’interface radio, de procédures et de services
• Comprendre et savoir décrire les enjeux politico – économique de ce domaine au niveau mondial

Cette formation réseaux cellulaires s’adresse aux métiers des filières techniques de l’entreprise (Informatique, Telecom et Réseaux de données : Ingénieurs, Techniciens ou Architectes réseaux) mais aussi aux métiers connexes à ces filières techniques (Gestionnaires de Projets, Manager d’équipes, Marketing) souhaitant découvrir par le vocabulaire et les principaux concepts des réseaux mobiles qui nous entourent depuis le GSM jusqu’à la 4G+ en explorant les voies possibles de la 5G.

La connaissance des réseaux de télécommunications est un plus.

Introduction aux réseaux cellulaires

• Panels des normes européennes : du GSM à HSDPA/HSUPA vers LTE Autres standards : IS136, IS95, PdC, PdC-P, CDMA2000, EvDo, UMB Normes PMR : TETRA, TETRAPOL Solution WLAN/WPAN/WMAN : Bluetooth, WiFi, WiMax fixe et mobile

Réseaux cellulaires 2G/2.5G : GSM, GPRS & EDGE

• Genèse du standard et structure des releases 2G

Interface radio FDD GSM

• Basiques FDMA/TDMA Canaux logiques et physiques : modulation, principes de protection (CRC et CC), structure des canaux Plan de fréquences 2G

Architecture GSM

• Architecture du BSS : BTS, BSC, interfaces Architecture du NSS : rappels RTCP, MSC, GMSC, VLR, HLR, AuC Charging, Billing et OMC Terminaux GSM

Protocoles GSM radio et réseau

• Principaux protocoles : CM, MM, MAP, ISUP, BSSAP

Procédures radio et réseau

• Radio : accès aux ressources radio, RACH, paging, power control, gestion des mesures Sécurité : authentification, intégrité et chiffrement Mobilité : sélection/resélection de cellules, handover intra et inter BSC, roaming, mise à jour de localisation Gestions des appels : entrants et sortants

Services 2G

• Voix : du codeur GSM-FR au codeur AMR-NB, évolution TFO Services supplémentaires Support de la Data : IWF, TAF SMS : principes, architecture et protocoles CAMEL

Ingénierie 2G

• Principes d’ingénierie radio : path loss, bilan de liaison, dilemme couverture/capacité, motif de réutilisation Principes d’ingénierie de trafic : lois d’Erlang, modèle de trafic, notion de QoS, politique d’admission, impact de la mobilité Ingénierie radio GSM : bilan de liaison GSM, capacité voix d’un réseau GSM Exemples

HSCSD : un pas avant le GPRS

• Grands principes IP : architecture, protocoles et services, QoS Evolution de l’interface radio : modification du TDMA GSM, canaux logiques et physiques, CS, nouveaux protocoles RLC/MAC Evolution de l’architecture BSS et NSS : PCU, SGSN, GGSN Evolutions des protocoles : GTP, BSSGP, SNDCP, GMM Evolutions des procédures radio et réseau : gestion du handover, power control, allocation des ressources radio, gestion de la mobilité en veille, mise à jour des zones de routage, gestion des sessions, notion de PdP context, gestion de la sécurité Services : accès à internet, WAP, iMode Performances GPRS

EDGE

• Une nouvelle modulation E-CSD (EDGE associé à HSCSD) : principes, canaux e-TCH, performances, services E-GPRS (EDGE associé à GPRS) : principes, évolution RLC/MAC, HARQ, MCS Performances EDGE GERAN versus 3G : concept, évolution des protocoles, services

Réseaux cellulaires 3G/3G+ : UMTS & HSPA

• Genèse du standard et structure des Release 3G

Interface radio FDD UMTS

• Basiques CDMA Canaux logiques aux canaux de transport : description, mécanismes de protection : CRC, CC et Turbo Code Canaux physiques R99 : canaux systèmes et canaux dédiés, modulation, les codes OVSF et les codes de scrambling Plan de fréquences 3G Un mot sur l’UMTS TDD : TD-CDMA

Architecture UMTS

• Architecture du réseau d’accès radio : Node B, RNC, interfaces, ATM Architecture du Core Network : du NSS GSM/GPRS à un NSS 3G Charging, Billing et OMC Terminaux UMTS

Protocoles UMTS radio et réseau

• Strates UTRAN : User et Control Plane / Access et Non Access Stratum Couches UTRAN : MAC, RLC, PDCP, BMC, RRC Protocoles réseaux : CM, MM, GMM, SM, MAP, ISUP, GTP

Procédures radio et réseau

• Radio: Power Control, Tx Diversity, gestion des mesures radio Mobilité : sélection et resélection de cellules, handover et soft handover, relocalisation de RNC, mobilité intra RAT et mobilité 3G/2G Sécurité : authentification, intégrité et chiffrement Gestions des appels (CS) et des sessions (PS)

Services 3G

• Téléphonie : de l’AMR-NB à l’AMR-WB Visiophonie : H324 ou H323 Services de data : Web, WAP, email, ftp, SMS, MMS Notion de QoS Services de géolocalisation : CellId, A-GPS, OTDOA

Ingénierie 3G

• Spécificité de l’ingénierie radio UMTS : cell breathing, notion de charge UL & DL, SINR, Eb/N0, bilan de liaison UMTS, capacité en fonction des services Exemples

Divers

• Evolution UMA/GAN : principes, architecture, évolutions des protocoles et procédures Multicast / Broadcast : MBMS Stratégie de Migration 3G: EDGE ou UMTS

Evolution 3G+ de l’UMTS

HSDPA : un super canal partagé

• Nouveaux canaux physiques Traitements au niveau de la couche physique : HARQ DL, évolution MAC, codage canal, adaptation de lien Stratégies de scheduling DL : QoS, CQI, puissance, scheduler Round Robin, MAX C/I ou PF Classes des terminaux HSDPA Performances HSDPA

HSUPA : un DCH amélioré

• Nouveaux canaux physiques Traitements au niveau de la couche physique : HARQ UL, évolution MAC, codage canal, adaptation de lien Classes des terminaux HSUPA Stratégies de scheduling UL : puissance, charge UL, ressources NodeB Macro diversité en HSUPA « Scheduled » et « Non Scheduled » data Performances HSUPA

HSDPA et HSUPA = HSPA+

• HSPA+ : HSUPA en renfort de HSDPA MIMO : concepts et principes, configuration MIMO HSDPA, performances Evolution des modulations : QAM16/QAM64 Nécessité du F-DCH (Fractionnal DCH) Suppression de l’interface radio R99 –

Evolution IP de l’UMTS

• Evolution IP : évolutions des protocoles (SCTP, RTP/RTCP), IP & QoS (RSVP, DiffServ, MPLS) Introduction d’IP au niveau du RAN Evolution R4 du coeur de réseau : – MSC-Server, MGW – Protocole MEGACO, SIGTRAN, BICC – Evolutions des procédures : établissement et de libération des appels Evolution R5 du coeur de réseau : – La révolution IMS – Architecture : HSS, CSCF, MGCF, BGCF, MGW – Protocoles : SIP, DIAMETER – Evolutions des procédures – Services IMS : de TAS a RCS

Ingénierie 3G+

• Ingénierie radio HSPA : impact HSPA sur l’ingénierie UMTS, bilan de liaison HSPA, Exemples

Divers

• Femtocells

Réseaux cellulaires 4G : LTE et LTE-A

• Genèse : apport du WiMAX Objectifs du LTE / LTE Advanced : débits, latences, efficacité spectrale, LTE: 3.9G ou 4G ? Releases 3GPP LTE : de la Release 8 à la Release 12

Interface radio LTE

• OFDM : principes, avantages et inconvénients, de l’OFDM à l’OFDMA Structure DL OFDM/OFDMA du LTE : configurations fréquentielles, structure de trame, FDD/TDD, canaux physiques et logiques Structure UL SC-FDMA UL du LTE : canaux physiques et logiques Positionnement fréquentiel du LTE

Points système radio

• La logique HARQ du LTE Le MIMO DL du LTE : configurations Power Control et LTE : choix DL et UL, open loop et closed loop L’AMC et le Scheduling LTE : principes, du Round Robin au Proportional Fair, le Semi Persistent Scheduling (SPS) Catégories des UE LTE Bilan UL et DL des débits LTE

Architecture E-UTRAN

• Equipements et interfaces : eNodeB, S1, S1 Flex Fonctionnalités de l’eNodeB Lien avec le coeur de réseau : principes, protocoles S1-AP, protocoles NAS Protocoles RLC/MAC/PDCP/RRC : principes, format des trames et messages

Architecture E-PC

• Fonctions : MME, SGW, PDN-GW, HSS Interfaces : S5/S8, S11, Gx et SGi Partage de charges, redondance et RAN sharing Protocoles : GTP, PMIP, ESM, EMM

Points système E-UTRAN

• Procédures RRC : accès RACH, délivrance des SysInfo (MIB & SIB), lien avec NAS (SRB, état du UE, attachement au réseau, gestion des Radio Bearer), gestion des mesures radio, procédure de mobilité (sélection, reselection, tracking area update, handover) Principes de sécurité radio : chiffrement, mécanismes d’intégrité, gestion des clés, sécurité et handover Fiabilisation des Liens : HARQ & RLC & PDCP Gestion des Bearer Radio : établissement, politique d’admission, notion de QoS, gestion de la QoS (QCI, ARP) Gestion de la mobilité : Tracking Area Update et aspect E-UTRAN du handover

Procédures E-PC

• Gestion des bearers : création, modification, suppression, default et dedicated bearers, APN, QoS et QCI LTE & IMS: PCRF, AF Mobilité : intra LTE (sélection/handover), inter systèmes 3GPP/ non 3GPP LTE et la voix : SRVCC, CS Fallback, Sécurité : chiffrement, intégrité, authentification, IPSEC

Divers

• SON (Self Organized Network) Architecture e-MBMS : équipements, interfaces et fonctionnalités

LTE Advanced

• Les objectifs 4G Carrier Agrégation : configurations théoriques et pratiques, notion de Primary et Secondary Cell, Cross Scheduling MIMO Avancés DL et UL : TM9, DM-RS, CSI-RS Noeud Relay : principes, Relay inband/outband, évolution de l’interface radio Home eNodeB : principes et architecture, apport des ABS (Almost Blank Subframe) et du Carrier Aggregation Performances 4G : catégories des UE, débits

La 4G pour quels services ?

Ingénierie radio LTE

• Spécificité LTE : Frequency Reuse, réseau SFN, Fractionnal & Soft Frequency Reuse, ICIC & COMP Exemple et exercice sur les aspects bilan de liaisons et calcul de capacité

LTE-A Releases 12 & 13

• Améliorations M2M (Machine to Machine), D2D et ProSE : Device to Device Communication/ Proximity Services GCSE : Group Call Service Enabler MCPTT : Mission Critical Push to Talk

Un œil sur la 5G

• Evolutions radios pour la 5G : OFDM filtrées, massive MIMO, NOMA, Single Channel FDD, Spectre 5G, schémas de Carrier Agrégation évolués Evolutions d’architecture causées par la 5G : cloud RAN, virtualisation, SDN, émergence des small cells, Hetnet Evolutions des usages permises par la 5G : du M2M à l’Internet des Objets, concepts IoT, solutions Lora, Sigfox & NB-LTE

Réseaux cellulaires 4G : LTE et LTE-A

Conclusion sur les réseaux cellulaires

• Ecosystème actuel 2G, 3G et 4G : acteurs, brevets et déploiements Calendrier de la future 5G.

Aujourd’hui, le mobile permet d’accéder à un large panel de services – voix, internet, apps, vidéo…, à travers des interfaces de plus en plus variées et sophistiquées : écran tactile haute définition, reconnaissance vocale, Bluetooth, WiFi, NFC, GPS…. Ces vingt dernières années, les réseaux mobiles ont énormément évolué. Initialement offre monolithique autour de la voix, ils permettent à présent de gérer un champ quasiment illimité de services et d’usages.

L’objectif de cette formation est de comprendre ces évolutions et de détailler les technologies sous-jacentes au travers d’un panorama complet des réseaux mobiles.

Nous présenterons les évolutions architecturales de ces réseaux mobiles dans lesquels IP a fini par prendre une place prépondérante.
Les principales procédures associées seront évoquées : mobilité, sécurité, gestion des appels et des sessions.
Nous passerons en revue les idées nouvelles qui ont été introduites au niveau de la radio afin d’augmenter les débits.
Nous traiterons également de l’évolution des services : la voix, service star des années 2G, a été supplantée par les applications dites « data » au gré des évolutions 2.5G, 3G, 3G+, 4G et 4G+ et bientôt 5G dont nous présenterons les perspectives..
Les normes GSM, GPRS, UMTS, HSPA et LTE seront le cœur de notre sujet. Nous les analyserons dans une perspective mondiale en évoquant leurs concurrents américains et asiatiques comme : PdC, CDMA(IS95), CDMA2000 ou WiMAX.
Nous présenterons également les acteurs actuels des télécoms, notamment en ce qui concerne les réseaux mobiles : les acteurs de normalisation (ITU, IETF, ETSI, 3GPP), les acteurs industriels, la logique de brevet sous-jacente, le bilan mondial de ces solutions…

Nous essaierons enfin de nous projeter vers l’avenir. Si la standardisation 5G n’est pas encore d’actualité, l’on peut deviner de quoi elle sera faite.
Comme la 4G actuelle, cette 5G sera OFDM : un OFDM amélioré par des techniques de filtrage le rendant plus efficace spectralement. Elle sera aussi massivement MIMO pour laquelle des techniques dites MIMO-3D verront le jour. On parlera également de NOMA en tant que technique DMA venant complémenter la logique OFDMA. Enfin du côté radio on pourrait voir des techniques duplex nouvelles apparaître, comme le single channel FDD.
Mais cette 5G s’annonce également comme une révolution architecturale : des cellules de plus en plus petites portées par des fréquences de plus en plus hautes (3, 5, 10 GHz et au-delà encore ?) matérialisées par des têtes radio déportées commandées par des équipements centralisés et décidant de l’attribution de toutes les ressources radio nécessaires pour un vaste espace géographique. Le tout associé à un cœur de réseau dans le lequel les concepts Cloud et Virtualisation entreront en force.
Enfin, cette 5G sera là pour permettre une nouvelle révolution des usages qui viendra certainement par l’intermédiaire de l’Internet of Things, annonçant l’émergence d’objets communicant entre eux.

En parallèle d’une présentation des détails des enjeux des technologies mobiles, nous illustrerons notre propos de différentes études de cas et exercices pratiques : calcul des débits théoriques/terrain maximum offerts par ces différents standards. On essaiera ensuite de comprendre les limites de ces débits, capacité des réseaux 2G/3G/4G…