La 3G (Universal Mobile Telecommunications System)

Universal Mobile Telecommunications System

L’Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) est l'une des technologies de téléphonie mobile de troisième génération (3G). Elle est basée sur la technologie W-CDMA, standardisée par le 3GPP et constitue l'implémentation dominante, d'origine européenne, des spécifications IMT-2000 de l'UIT pour les systèmes radio cellulaires 3G.

L'UMTS est parfois appelé 3GSM, soulignant la filiation qui a été assurée entre l'UMTS et le standard GSM auquel il succède. Elle est également appelée 3G, pour troisième génération.

Technologie

L'UMTS est une technologie de téléphonie cellulaire dont la partie radio (UTRAN) repose sur la technique d'accès multiple W-CDMA, une technique dite à étalement de spectre, alors que l'accès multiple pour le GSM se fait par une combinaison de multiplexage temporel TDMA et de multiplexage fréquentiel FDMA.

Une amélioration importante de l’UMTS par rapport au GSM consiste, grâce à une nouvelle technique de codage, en la possibilité de réutiliser les mêmes fréquences dans des cellules radio adjacentes et en conséquence d’affecter une largeur spectrale plus grande à chaque cellule (5 MHz), alors qu’en GSM, les cellules radio adjacentes doivent utiliser des bandes de fréquences différentes (facteur de réutilisation variant de 1/3 à 1/7) ce qui implique (en GSM) de diviser et répartir les fréquences attribuées à un opérateur entre plusieurs cellules radio.

La disparition de cette contrainte permet en UMTS d'avoir plus de bande passante et donc plus de débit (ou plus d'abonnés actifs) dans chaque cellule.

Fréquences attribuées à l'UMTS

Lors de la CAMR de 1992 organisée par l’UIT à Torremolinos (province de Malaga en Espagne), les bandes hertziennes suivantes avaient été choisies pour les systèmes 3G IMT-2000 (exploité en France avec la technologie UMTS) :

• Duplex temporel TDD : 1 885,00 à 1 920,00 MHz (bande de 35 MHz de largeur) et 2 010,00 à 2 025,00 MHz (bande de 15 MHz) ;
• Duplex fréquentiel FDD : 1 920,00 à 1 980,00 MHz (uplink de 60 MHz) et 2 110,00 à 2 170,00 MHz (downlink de 60 MHz) ;
• Bandes satellites : 1 980,00 à 2 010,00 MHz (uplink de 30 MHz) et 2 170,00 à 2 200,00 MHz (downlink de 30 MHz).

D'autres bandes de fréquences ont, plus tard, été attribuées à l'UMTS, notamment des fréquences dans la bande des 900 MHz qui peuvent être partagées entre le GSM et UMTS en Europe et en France et certaines fréquences dans les bandes 700 MHz et 1 700 MHz en Amérique du Nord et en Asie.

La bande de fréquence (porteuse) affectée à chaque cellule radio est de 5 MHz avec une largeur spectrale réelle de 4,685 MHz. 

Débits théoriques

L'UMTS dans sa version initiale « 3GPP R99 » permettait un débit maximum théorique de données descendantes (téléchargement) de 1,920 Mb/s. Cette vitesse est nettement supérieure au débit initial du GSM qui était de 9,6 kb/s et supérieure à celles des vitesses maximales offertes par les variantes du GSM optimisées pour le transfert de donnée (GPRS et EDGE) : 384 kb/s pour l’EDGE.

Les débits UMTS varient suivant le lieu d'utilisation et la vitesse de déplacement de l'utilisateur. Pour la première génération de l'UMTS, les débits maximum descendants (download) étaient de :144 kb/s pour une utilisation mobile en mouvement rapide (voiture, train…) et en zones rurales loin de l'antenne ; 384 kb/s pour une utilisation piétonne ; jusqu’à 2 000 kb/s depuis un point fixe (terminal immobile) et dans des conditions idéales.

Ces débits théoriques supposent un terminal immobile, placé dans des conditions de réception radio parfaites et, en pratique, d’avoir un seul terminal actif à un instant donné dans la cellule radio (zone couverte par la ou les antennes du Node B).

NodeB

Le Node B est une station de base (ou antenne-relais) dans un réseau mobile UMTS, basé sur la technologie W-CDMA. C'est l'équivalent de la BTS dans les réseaux GSM.

Il gère des cellules radio utilisant différentes bandes de fréquences (900 MHz, appelée U900 et 2,1 GHz) sur différents secteurs (un secteur équivaut à une antenne physique).

Un site peut avoir jusqu'à 3 secteurs (chacun couvrant un angle de 120°) et peut cumuler les bandes de fréquences (jusqu'à 3 ou 4, on parle ainsi de "quadri-bande"). Les antennes physiques en haut d'un pylône, lorsqu'il y a présence d'un pylône, peuvent être alimentées par des MHA (Mast Head Amplifier) permettant l'amplification des signaux reçus pour contrer leur atténuation et limiter les interférences dans les câbles allant vers la baie Node B (en bas du site).

Les baies contiennent les cartes électroniques ainsi que les modules radio. Leurs appellations varient en fonction du constructeur fournissant le matériel du réseau mobile.

Les Node B 3G sont gérés et connectés via un réseau de backhaul (liaisons de types Fibre optique, Cuivre ou Faisceau hertzien) à des RNC (Radio Network Controller) qui sont eux-mêmes reliés au cœur de réseau « NSS » ; l'ensemble Nodes B + RNC constitue la partie UTRAN (Radio Access Network) d'un réseau 3G UMTS.

La plupart des Nodes B sont maintenant  capables de gérer la 3G, la 3G+ (HSPA) et la 3G++ (HSPA+) offrant ainsi des débits de données plus élevés.

Dans les environnements résidentiels ou en entreprise, une variante de faible puissance (typiquement 20 mW) appelée « HNB » (Home Node B) permet de constituer des cellules radio de faibles tailles les « Femtocells » qui peuvent compléter les macro-cellules des Node B traditionnels.
La fonction équivalente dans les réseaux LTE et LTE Advanced s’appelle eNode B ( evolved Node B).

RNC (Radio Network Controller)

Le RNC est un élément de la partie d'accès radio (UTRAN) d'un réseau de téléphonie mobile 3G UMTS qui contrôle les transmissions radio des stations de base (Node B). Il gère la répartition de la ressource radio, le chiffrement des données avant l'envoi au téléphone mobile, ainsi qu'une partie de la localisation des terminaux mobiles des abonnés. C'est l'équivalent des BSC des réseaux mobiles 2G GSM.

Un RNC s'interface avec le cœur du réseau (core network) de l'opérateur mobile : avec le SGSN pour la transmission des données et avec le MSC pour le transfert de la voix et de la signalisation.

Universal Terrestrial Radio Access Network

Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) (réseau universel d'accès radio terrestre), anciennement appelé « UMTS Terrestrial Radio Access Network » est un terme normalisé par le 3GPP2 qui désigne la partie accès radio (RAN) d’un réseau de téléphonie mobile 3G UMTS et qui regroupe : les antennes, les Node B, les contrôleurs de réseau radio (RNC) ainsi que les liaisons (fibre optique, cuivre ou faisceau hertzien) raccordant ces équipements (backhaul network).

Description technique

L'UTRAN est la partie « accès radio » (RAN) des réseaux UMTS, communément appelés 3G (pour « 3e génération de téléphonie mobile ») ; il peut transporter plusieurs types de trafics en temps réel en mode Circuit (voix) ou en mode Paquet (utilisant les protocoles IP). 

L'UTRAN permet la connectivité entre les UE (l’équipement de l'utilisateur : téléphone mobile ou smartphone) et le réseau central de l’opérateur. Dans les réseaux UMTS FDD qui sont les plus répandus, le codage radio utilisé entre les mobiles (UE) et les antennes du réseau est le W-CDMA. 

Un UTRAN peut utiliser plusieurs bandes de fréquence radio différentes (par exemple les bandes de 900 et 2 100 MHz en Europe).

Position de l'UTRAN (cadre bleu intégrant 2 RNS et 2 RNC) dans un réseau UMTS. L'UTRAN comporte principalement des stations de base, qui sont appelées Node B, réparties sur l’ensemble du territoire et des contrôleurs de réseau radio (RNC). Le RNC fournit les fonctionnalités de contrôle et de passerelle (gateway) pour plusieurs Node B. 

Un Node B et un RNC peuvent être colocalisés dans le même équipement, même si la plupart des implémentations comportent un RNC distinct situé dans un site central et qui sert de concentrateur pour le trafic de nombreux Node B répartis géographiquement. Qu’ils soient ou pas séparés physiquement, il y a une interface logique entre le RNC et les Nodes B, connue sous le nom de IuB. 

Le RNC et les Nodes B connectés sont appelés RNS « sous-système de réseau radio » (en anglais Radio Network Subsystem). Il peut y avoir plusieurs RNS (plusieurs RNC) présents dans un réseau UTRAN. Il y a cinq types d’interfaces normalisées entre les entités fonctionnelles du réseau UTRAN : IuCS, IuPS, Uu, IuB et IuR. 

Les interfaces IuCS et IuPS sont des interfaces externes qui relient le RNC au cœur de réseau (CN), (Core Network en anglais), l'IuCS supporte le trafic en mode Circuit (voix), l'IuPS celui en mode Paquet (données). Le Uu est aussi une interface externe (radio), reliant le Node B avec les équipements utilisateur UE (les mobiles). L’IuB est une interface interne entre le RNC et le Node B ; il y a aussi l'interface IuR qui est aussi une interface interne qui relie deux RNC l’un avec l’autre.

Autres réseaux d'accès radio

Dans les réseaux 2G (GSM) et Edge, la fonction RAN (Radio access network) s’appelle GERAN ; dans les réseaux 4G (LTE) et 4G+ (LTE Advanced), elle s'appelle eUTRAN (evolved UTRAN).

Ces trois générations de réseaux peuvent cohabiter chez un même opérateur de réseau mobile, et avoir certaines fonctions colocalisées dans les mêmes équipements (eNode B) mais en utilisant des bandes de fréquences radio différentes et des antennes MIMO pour le LTE ; cela permet à un abonné de l'opérateur (s'il a un terminal mobile multistandards) de passer de façon quasi transparente d'un type de RAN vers un autre.

Débits réels

Le débit réel de données d'un terminal UMTS est le plus souvent très inférieur aux débits binaires  théoriques promis par les normes UMTS. Les principaux facteurs ayant une influence sur les débits réels observés par l’abonné sont les suivants :

• Le nombre d’utilisateurs actifs se partageant la bande passante au sein d’une cellule radio (surface radiante d'une antenne UMTS); plus il y a d’abonnés actifs, moins chacun a de débit unitaire. Il en découle que le débit observé dépend de l'heure (moins d'abonnés actifs durant la nuit).
• La position fixe (statique) ou « en mouvement » du terminal de l’abonné ; 
• le débit utile est réduit pour un terminal en mouvement rapide.
• La distance entre le terminal et l’antenne relais. Le débit est quasi constant dans une grande partie de la cellule radio puis décroît en limite de portée quand le signal s’affaiblit.
• la position d'un terminal à la frontière entre deux cellules radio (même près de l’antenne). Le débit est très inférieur dans cette zone à cause des interférences avec les cellules adjacentes qui en UMTS utilisent généralement les mêmes fréquences hertziennes (contrairement à ce qui se passe en GSM/EDGE où les cellules radio adjacentes utilisent des fréquences différentes).
• Le type et la catégorie du terminal UMTS et le fait qu'il soit compatible (ou pas) avec les dernières générations des normes UMTS (HSPA et HSPA+).
• les conditions de réception radio (interférences, bruit, affaiblissements, échos liés aux réflexions sur les immeubles…).
• La capacité en débit et en nombre d'utilisateurs simultanés de la station de base (Node B), le débit des liens (cuivres ou optiques) reliant cette station au cœur de réseau (RNC) et sa compatibilité avec les nouvelles normes HSPA, HSPA+ et DC-HSPA+.

La position du terminal mobile à l'intérieur d'un bâtiment induit une atténuation du signal radio qui peut entrainer une diminution du débit.

Applications et services

Grâce à la vitesse accrue de transmission de données, l'UMTS ouvre la porte à des applications et services nouveaux. L'UMTS permet en particulier de transférer en temps réel des contenus multimédia tels que les images, le son et les vidéos.

Planification

La planification des sites radio a pour but de surmonter 4 problèmes essentiels :

1. L'optimisation des antennes RF, pour une meilleure couverture des zones.
2. L'augmentation de la fiabilité des transitions entre réseaux GSM et 3G.
3. Assurer une meilleure couverture radio entre les bâtiments.
4. Adaptation des paramètres de liaison.

Afin de bien déployer un réseau, une bonne configuration des antennes sectorielles ou antennes RF est nécessaire pour avoir une bonne performance et une bonne adaptation de la capacité. La couverture radio est un critère primordial et doit être efficace et suffisante, elle s'adapte alors aux besoins de capacités dans chaque région, et doit être flexible pour s’adapter à l’expansion future de la taille du PLMN et de la démographie des abonnés sans avoir besoin de changer les sites existants. 

La taille des cellules en WCDMA/UMTS ne peut pas être considérée comme une dimension fixe à cause du phénomène de respiration ou Breathing Effect dans lequel le rayon d’une cellule varie en fonction du nombre des abonnés actifs ; ceci est dû à la modulation d’étalement de bande. Sur la voie ascendante si le nombre d’abonnés augmente dans une zone, ceci provoque l’augmentation du niveau du bruit dans le Node B ; pour surmonter le bruit, les équipements mobiles doivent augmenter leur puissance d'émission pour permettre à l'autre extrémité du lien radio de reconstruire les données, ce qui amène à une diminution de la zone de couverture. 

La même chose se produit dans le sens Downlink, et on peut estimer le taux de bruit qui pourra être créé dans une zone, en calculant l’interférence sur chaque terminal, le terme utilisé est « RSCP » : Received Signal Code Power ou bien « puissance du code du signal reçu ». Le cas idéal représente une zone couverte par une seule cellule, le rapport signal sur bruit ou Ec/No devient optimal. 

En bref, les points essentiels qui doivent être pris en considération durant la planification sont les suivants :

• Étude de la zone d’implantation du réseau, Étude de la géographie de la région, le type d'obstacles tels que des bâtiments, montagnes, falaises. 
• Une bonne planification consiste aussi à une anticipation des évolutions qui peuvent avoir lieu, comme la construction des nouveaux immeubles. Ceci va permettre une couverture adéquate et un bon service pour supporter l’augmentation potentielle du trafic.
• Définir les sites, leurs configurations, on parle principalement du nombre des antennes RF et des liens radio UHF, l’orientation verticale (tilt) et horizontale de chaque antenne, ainsi que sa hauteur et la distance permise entre les sites.
• Étude par anticipation des nouveaux sites qui seront nécessaires pour les années suivantes ainsi que les ajustements de la configuration pour lutter contre les interférences sur les liens downlink.

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