Evolution du GSM à l'UMTS

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1. Evolution du GSM à l’UMTS
1.1 Marché des radiocommunications cellulaires
La décennie 1990 aura été celle du développement des radiocommunications cellulaires, ensemble de systèmes qui avaient vu le jour au début des années 1980. Ainsi, en France, on est passé en moins de dix ans de quelques centaines de milliers d’abonnés (environ 300 000 abonnés aux systèmes Radiocom 2000 [E 7 362] et NMT-F) à près de 30 millions au début de l’an 2000.
Une norme, à l’origine européenne, le GSM [E 7 364], a été le vecteur principal de ce succès, même s’il convient de ne pas oublier que le point de départ de la croissance de ce marché est lié à des systèmes analogiques très performants comme le TACS ou le NMT900. Ces systèmes proposaient dès le milieu des années 1980 un très bon service de radiotéléphonie avec des portatifs compacts et peu chers et, notamment au Royaume-Uni, le GSM (Global System for Mobile Communication) ne s’est pas imposé spontanément. En fait, la raison principale du succès du GSM dans les pays qui avaient déjà un très fort taux de pénétration (plus de 50 % de la population finlandaise ou suédoise était déjà équipé au moment de l’arrivée du GSM) a été la possibilité d’itinérance d’un pays à un autre offerte par un système européen, adopté par tous, fonctionnant partout sur les mêmes fréquences, du moins en Europe, puis en Asie, l’Amérique du Nord et le Japon restant en dehors de ce mouvement. Le service proposé restera au moins jusqu’en 2002 essentiellement un service de téléphonie, c’est-à-dire un service vocal, et de messages courts, la transmission de données en mode circuit souffrant de son faible débit (9 600 bit/s) pour s’imposer comme un service de masse.
Dès lors, il est apparu vers le milieu des années 1990 que le GSM atteindrait rapidement ses limites en terme de support d’un service de transmission de données à haut débit. Le développement parallèle des services sur Internet a montré l’intérêt, pour le grand public comme pour les professionnels, de pouvoir coupler ces deux applications que sont la mobilité et l’accès à Internet. Par ailleurs, les industriels et les opérateurs ont compris l’intérêt d’aller plus loin dans la normalisation à l’échelle planétaire d’un vrai système global de radiocommunications qui ne laisserait pas de côté deux continents ou pays industrialisés comme l’Amérique du Nord et le Japon.
1.2 Scénarios d’évolution
Le passage de la deuxième génération, celle des systèmes numériques comme le GSM, à la troisième génération, celle de l’UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), ne se fera pas en une seule fois, à partir du GSM d’origine. Avant de laisser définitivement la place à un système résolument nouveau, le GSM aura connu quelques évolutions majeures.
La plus significative de ces évolutions est sans doute l’introduction de services en mode paquet. La transmission en mode paquet sur la voie radio (GPRS : General Packet Radio Services) est la réponse du GSM au défi de la transmission de données à haut débit, permettant un accès acceptable à Internet. Cette application, lancée commercialement par les opérateurs GSM en 2002, est intéressante car les services proposés préfigurent vraiment ceux qui seront offerts sur l’UMTS, du moins durant ses premières années. Le GPRS apparaît en 2001 comme une étape indispensable du passage à l’UMTS.
L’implantation du GPRS a un tel impact sur l’ensemble de l’architecture du réseau GSM, aussi bien le sous-système de commutation que le sous-système radio, que certains auteurs parlent de « passage du GSM au GPRS ». Si le sous-système radio UMTS marque bien dès l’origine une rupture franche avec son équivalent GSM, il en va différemment du sous-système de commutation du réseau GSM/GPRS. Celui-ci est en effet le fondement de la première génération de réseau UMTS. Implanter le GPRS dans un réseau GSM, c’est déjà faire un pas vers l’UMTS.
Pour déployer un réseau UMTS, les opérateurs de radiocommunications, comme pour n’importe quel réseau cellulaire, ont besoin d’obtenir de leur autorité nationale de régulation des télécommunications une licence d’opérateur. Du fait de la rareté des fréquences radio, ces licences sont toujours en nombre limité, jamais plus de quatre ou cinq par pays. La mise en concurrence peut conduire certains opérateurs GSM existants à ne pas obtenir de licence UMTS. Pour répondre à leur besoin d’offrir des services de transmission de données équivalents ou proches de ceux offerts par l’UMTS, au moins dans un premier temps, le GSM a évolué au-delà du GPRS, vers l’utilisation d’une nouvelle modulation radio plus performante que la modulation GMSK d’origine. Ainsi est née la variante EDGE (Enhanced Data rate for GSM Evolution), qui est aujourd’hui supportée par une partie des industriels fournisseurs d’infrastructures, mais dont l’avenir reste très lié au nombre d’opérateurs suscep-tibles de l’implanter, la clé de ce déploiement étant la disponibilité de mobiles compatibles.

2. Processus de normalisation
2.1 Concept IMT2000
Dès 1986, l’Union internationale des télécommunications (UIT) décide de commencer les travaux de normalisation d’un système de radiocommunications terrestres universel, c’est-à-dire une norme mondiale de communications mobiles, destinée à remplacer aussi bien les systèmes cellulaires existants que les systèmes de radiocommunications professionnelles. Plusieurs pays commencent alors à réfléchir à ce système, provisoirement dénommé FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunication System).
En Europe, des programmes de recherche RACE 1 puis RACE 2 conduisent, au début des années 1990, à la réalisation de prototypes pour l’interface radio de systèmes destinés à succéder au GSM. Deux systèmes émergent alors, l’un d’entre eux faisant appel à l’accès multiple à répartition par les codes (CDMA : Code Division Multiple Access). Parallèlement, aux États-Unis, apparaissent les tout premiers systèmes faisant appel à ce principe de transmission déjà connu dans les systèmes satellitaires. L’ETSI (European Telecommunication Standard Institute), depuis 1989, fédère les travaux européens et en confie la gestion au groupe de travail déjà chargé de la normalisation du GSM. Le système européen s’appelle désormais UMTS. Bien qu’européen, il doit s’inscrire dans le projet de l’UIT.
L’UIT-R, composante radiocommunications de l’UIT, continue ses travaux sur une norme mondiale, maintenant dénommée IMT2000 (International Mobile Telecommunication 2000). En 1998, après que l’ETSI a choisi entre sept candidats la norme d’interface radio terrestre de l’UMTS, celle-ci obtient le statut de norme possible pour l’IMT2000.
Le cadre général du projet IMT2000 est celui d’un système de communication mobile global, permettant un accès en tout lieu à un abonné, ce qui supposait à l’origine une interface radio unique. Du fait de la présence de plusieurs interfaces radio incompatibles, l’accès global au système se situe maintenant plutôt au niveau des bases de données des abonnés, qui doivent dialoguer entre elles et reconnaître les droits d’accès d’un abonné visiteur, pourvu qu’il possède le bon terminal. Ce dernier problème, qui aurait été rédhibitoire il y a quelques années, est sans doute mineur dans le cadre des systèmes de troisième génération. En effet, l’émergence de mobiles multistandards, à logiciel téléchargé en fonction de la localisation, est tout à fait vraisemblable. L’harmonisation des fréquences est certainement un enjeu plus important que celui de l’interface radio proprement dite.
Du fait de l’importance prise par les systèmes de deuxième génération, il est également prévu une compatibilité descendante. Ainsi, les services proposés sur les réseaux de deuxième génération comme le GSM constituent la base minimale de services supportés dès leur ouverture par les réseaux IMT2000.
Les réseaux mobiles devenant de plus en plus performants, notamment en matière de transmission de données, la convergence entre réseaux fixes et mobiles devient une réalité. Outre les transmissions de données jusqu’à 2 Mbit/s par usager en mode circuit ou en mode paquet, l’IMT2000 doit aussi permettre les applications multimédias, et notamment la transmission d’images animées.
Enfin, l’UIT-R a précisé dans ses objectifs des critères économiques pour faciliter l’implantation de tels réseaux dans les pays en voie de développement.
2.2 Genèse
2.2.1 Interface radio
Au bout du compte, on est assez loin du système universel mondial souhaité à l’origine puisque les interfaces radio sont différentes des deux côtés de l’Atlantique et puisque, même pour l’Europe, deux interfaces radio sont possibles. En effet, l’ETSI a retenu un système CDMA large bande, le W-CDMA (Wide band CDMA) en mode d’accès à répartition de fréquences (FDD : Frequency Duplex Division), c’est-à-dire avec une fréquence différente pour chaque sens de transmission, et un mode d’accès mixant le CDMA et l’accès à répartition dans le temps, donnant le TD-CDMA (Time Division-CDMA) pour les canaux où l’accès multiple est obtenu par répartition d’intervalles de temps successifs.

Nota : par ailleurs, ce mode utilise un duplexage temporel.

Si l’UMTS, devenue composante de l’IMT2000, fait aujourd’hui l’objet d’études communes à l’Europe, la Corée, le Japon et certains organismes nord-américains, un autre système, issu du premier système CDMA (le standard IS-95) continue à être développé, également dans le cadre de l’IMT2000. Le seul point commun entre ces systèmes est l’adoption du mode d’accès CDMA, maintenant universellement reconnu comme le support incontournable de la troisième génération de systèmes mobiles.
2.2.2 Fréquences
La Conférence administrative mondiale des radiofréquences (CAMR) de 1992 a défini les bandes de fréquences qui peuvent être utilisées pour les systèmes de troisième génération.
Pour l’IMT2000, un spectre de 230 MHz, compris entre 1 885 MHz et 2 025 MHz d’une part et entre 2 110 MHz et 2 200 MHz d’autre part, a été retenu.
En Europe, pour l’UMTS, les fréquences retenues sont 1 900-2 025 MHz et 2 110 à 2 200 MHz. En 1997, la CEPT (Conférence européenne des postes et télécommunications a précisé la répartition des deux modes d’accès retenus dans ces bandes, et à échéance 2002 :
 1 900 à 1 920 MHz : TDD ;
 1 920 à 1 980 MHz : FDD, sens mobile vers base ;
 2 010 à 2 025 MHz : TDD ;
 2 110 à 2 170 MHz : FDD, sens base vers mobile.
Les bandes 1 980 à 2 010 MHz et 2 170 à 2 200 MHz sont attribuées aux systèmes satellitaires.
Toutes ces fréquences risquent d’être rapidement saturées. Divers organismes (CEPT, Forum UMTS – qui regroupe les opérateurs et les industriels concernés) estiment à près de 600 MHz le besoin de fréquences à l’horizon 2010 pour l’ensemble des systèmes de radiocommunications en Europe. La CAMR2000 a d’ores et déjà attribué des bandes supplémentaires pour l’IMT2000 :
 806 à 960 MHz ;
 1 710 à 1 885 MHz ;
 2 500 à 2 690 MHz.
En Europe, une partie de la bande inférieure (862 à 960 MHz) et toute la bande médiane sont déjà allouées à des systèmes de radiocommunications, notamment le GSM. Par contre, la reconnaissance de ces bandes par les Etats-Unis pour l’IMT2000 va dans le sens d’une meilleure harmonisation mondiale. Mais ces bandes sont actuellement occupées par d’autres allocataires et leur libération ne pourra qu’être très progressive.
2.2.3 3GPP
En juin 1998, lorsque la question du choix de l’interface radio, supposée unique et universelle, est venue devant le groupe de travail de l’UIT-R, seize propositions concurrentes ont été présentées, certaines concernant des constellations de satellites. Après négociation, pour les réseaux terrestres, deux familles d’interfaces sont restées, ce qui a entraîné la constitution de deux regroupements d’opérateurs et de manufacturiers :
 le 3GPP (3rd Generation Partnership Project) qui a repris les travaux de normalisation de l’UMTS, tenant compte des acquis du GSM ;
 le 3GPP2, créé à l’initiative des pays défenseurs d’une évolution du seul système de deuxième génération utilisant déjà l’accès CDMA, le système nord-américain IS-95.
Fin 1998, ces deux entités étaient constituées. Le 3GPP a initialement été créé par quatre organismes :
 l’ETSI représentant l’Europe ;
 le TTA, organisme de normalisation de la Corée du Sud ;
 ARIB/TTC représentant le Japon ;
 T1P1 (accrédité par l’ANSI), représentant les Etats-Unis, également présents dans le 3GPP2.
Depuis, le 3GPP s’est élargi et structuré en quatre catégories de membres :
 des partenaires organisationnels (OP) : organismes de normalisation ;
 des partenaires représentant le marché (MRP) : tout organisme susceptible d’aider à comprendre les besoins du marché ;
 des membres individuels (IM) : ils doivent appartenir à un OP ;
 des observateurs, souvent futurs OP.
Le travail de spécification technique est effectué dans des groupes de travail, les TSG (Technical Specification Group). Il en existe cinq en 2001 :
 aspects services et système (SA : Services Aspects) : spécifie les services pour les usagers et l’architecture générale du réseau UMTS ;
 réseau d’accès radio (RAN : Radio Access Network) : définit les protocoles et l’architecture du réseau d’accès (l’équivalent du sous-système radio GSM) de l’UMTS ;
 réseau de base (CN : Core Network) : définit les protocoles du contrôle d’appel et des services supplémentaires, ainsi que l’interconnexion avec les autres réseaux ;
 terminaux (T : terminals) : définit la structure de la carte USIM (Universal Subscriber Identity Module), les fonctions et les tests d’acceptation des terminaux UMTS ;
 réseau d’accès radio GSM/EDGE (GERAN) : définit les évolutions du sous-système radio GSM, notamment vers EDGE.
2.3 Étapes
Les travaux de normalisation de l’interface radio UMTS, qu’on appelle l’UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access) aboutiront à plusieurs phases de spécification, échelonnées dans le temps, de manière à permettre un déploiement rapide des réseaux, tout en conservant la possibilité de corriger des anomalies et d’enrichir le catalogue de fonctions. La première étape a été la publication de la version de 1999.
Erreur! Signet non défini.2.3.1 Version 1999
La version 1999 (R 99 : Release 99) définit le mode FDD de l’UTRA, c’est-à-dire les paramètres précis de l’interface d’accès W-CDMA et le mode TDD haut débit, c’est-à-dire à 3,84 Mc/s. Mc/s signifie mégachip par seconde, unité employée pour mesurer, dans un système CDMA, le débit binaire de la séquence de codage.

Nota : le transport sur le réseau d’accès radio fait appel à la technologie ATM (Asynchronous Transfert Mode). Le réseau cœur, c’est-à-dire l’équivalent du sous-système réseau GSM, est une évolution limitée de la norme GSM, ce qui permet une implantation rapide de cette première phase de l’UMTS.

2.3.2 Versions ultérieures
Initialement baptisée «version 2000», la version suivante s’est dédoublée en deux étapes.
Disponible fin 2001, la version 4 contient le mode TDD à 1,28 Mchip/s, des améliorations au mode FDD et des corrections apportées à la version précédente. Par contre, elle ne comporte aucune amélioration fonctionnelle visible par l’usager.
Disponible mi 2002, la version 5 prévoit le transport IP (Internet Protocol) au sein du réseau d’accès radio (au lieu d’un transport ATM dans les versions précédentes). C’est aussi cette version 5 qui introduit les services multimédias IP, avec notamment l’intégration des services de données et de téléphonie, prélude à la disparition des services téléphoniques en mode circuit, ainsi que la gestion de la qualité de service différenciée et garantie.

3. Défis
3.1 Convergence entre la voix, les données et l’audiovisuel
Avec l’UMTS en Europe, et plus généralement avec le projet IMT2000, trois secteurs indépendants du monde de la communication sont appelés à converger :
 le secteur informatique avec la transmission de données, qui devient un service de base, largement utilisé, alors que le GSM, jusqu’à l’arrivée du GPRS, avait relégué les services de données au rang d’options coûteuses et relativement peu commodes d’accès ;
 le secteur de la vidéo, totalement absent des réseaux de deuxième génération ;
 le secteur de la voix, vecteur traditionnel des services des réseaux de première et deuxième générations.
Un des grands défis de l’UMTS est de faire travailler ensemble les acteurs de ces différents secteurs et d’inventer les services nouveaux représentatifs de cette convergence. On peut d’ores et déjà citer des services qui, venant d’un des trois domaines, par enrichissement au contact d’un ou des deux autres, deviennent de vrais services nouveaux qui n’existeraient pas sans l’UMTS :
 la visiophonie ;
 la vidéo à la carte et tous les services vidéo interactifs, comme la surveillance vidéo à distance ;
 en déplacement, l’accès rapide à Internet, la messagerie électronique sur un ordinateur portable ;
 des services basés sur la localisation du mobile, comme les services de renseignement personnalisé.
Exemple
On peut imaginer qu’un usager qui recherche un commerce alors qu’il se déplace dans une ville obtienne la liste des magasins les plus proches de lui correspondant à ses critères de sélection, puis visionne une vidéo de présentation de ceux qu’il a présélectionnés, et même passe une commande par un accès sécurisé à sa banque, après avoir dialogué avec le vendeur et avoir obtenu des informations sur le prix, le délai de livraison, etc.
3.2 Terminaux
Evidemment, cette convergence de trois secteurs a des conséquences importantes sur le terminal de l’abonné. On ne peut pas imaginer l’usager se déplaçant en permanence avec un radiotéléphone portatif comme ceux que nous connaissons avec les systèmes de deuxième génération, connecté à un PC portable. Ils comportent tous un écran large, en couleurs, une caméra vidéo et un clavier alphanumérique ergonomique, éventuellement tactile (sur l’écran) pour gagner de la place. Ce sont de vrais terminaux multimédias. On ne peut pas imaginer le succès de l’UMTS sans une large diffusion de ces terminaux.

4. Déploiement des réseaux
Comme souvent, lors du démarrage de grands projets de télécommunications, où les acteurs sont multiples, où seul un lancement simultané dans plusieurs pays a un sens économique et où la technologie, nouvelle, est complexe à maîtriser, le calendrier initial connaît de larges évolutions.
4.1 Calendrier initial
Lors des premières réflexions menées à l’ETSI sur le développement de l’UMTS, il était communément admis de lancer les premiers réseaux exactement dix ans après les premières expérimentations du GSM, donc en 2001. Par la suite, le calendrier s’est affiné avec la définition des étapes suivantes :
 réseaux pilotes dans les principaux pays d’Europe : 2000 ;
 réseaux supportant des abonnés privilégiés, non payants : 2001 ;
 lancement commercial définitif dans toute l’Europe : 2002.
En particulier, la décision 128/1999/CE du Parlement européen a encadré ce calendrier :
 le cadre réglementaire national (nombre de licences d’opérateurs, mode d’attribution) devait être adopté par les quinze pays de la Communauté européenne au plus tard le 1er janvier 2000 ;
 le lancement commercial devait être rendu possible par les gouvernements au plus tard le 1er janvier 2002 (licences attribuées au moins un an auparavant, fréquences radio libérées).
En fait, au retard dans le développement des équipements de réseau et des terminaux d’abonnés, s’est ajouté dans certains pays, dont la France, un délai supplémentaire dû au mécanisme d’attribution des licences d’opérateurs.
4.2 Sélection des opérateurs en Europe
La Commission européenne n’ayant pas légiféré sur ce point, la sélection des opérateurs en Europe a fait appel à deux procédures différentes : mise aux enchères des licences ou sélection comparative sur dossiers technico-économiques. Le nombre de licences à attribuer était généralement égal à quatre ou cinq.
Tout a commencé au début de l’année 2000 avec les enchères organisées par le gouvernement britannique. En pleine période d’euphorie pour la « nouvelle économie », presque tous les grands groupes de télécommunication se sont retrouvés dans une compétition acharnée. Cinq licences ont été attribuées pour un montant total de 38 milliards d’euros, soit des montants cinq à six fois supérieurs aux montants des licences GSM. Quelques mois plus tard, en Allemagne, un mécanisme similaire d’enchères conduisait à l’attribution de six licences pour un montant total de 50,8 milliards d’euros. Selon certaines prévisions [1], l’amortissement de ces prix de licence pourrait absorber 50 % du revenu des opérateurs.
Dans le même temps, l’Espagne attribuait quatre licences gratuitement, ce qui entraînait localement un vif débat politique.
En septembre 2000, la situation allait brutalement se retourner avec des enchères en Italie, puis aux Pays-Bas et en Belgique, qui allaient se révéler décevantes pour les gouvernements qui avaient établi leurs prévisions sur la base des premières compétitions. En effet, le nombre de candidats allait diminuer très rapidement, pour ne pas dépasser le nombre de licences à attribuer, ce qui arrêtait immédiatement la montée des enchères. Le gouvernement italien n’obtenait que 12,2 milliards d’euros, soit 218 E par habitant, contre 633 au Royaume-Uni et 620 en Allemagne. Cette baisse du nombre de candidats s’explique par le fait que les grands groupes opérateurs mobiles (Vodafone, Orange, T-Mobile) estimaient avoir déjà dépensé leur budget de frais de licences pour les deux ou trois premières attributions.
Ce phénomène de prix très élevé des licences a surtout touché l’Europe. Quand le montant global y atteint 112,8 milliards d’euros, il reste égal à 20,2 milliards d’euros aux Etats-Unis et 4,8 milliards en Asie, hors Japon où les licences sont gratuites.
4.3 Situation française
En France, le gouvernement, sur proposition de l’Autorité de régulation des télécommunications (ART), a choisi de recourir à une procédure de sélection comparative, ce qui permet d’imposer un cahier des charges précis et de sélectionner les candidats sur des critères techniques et non pas seulement financiers. Le montant des licences, ne faisant pas l’objet d’enchères, devait être fixé à l’avance. Après avoir été initialement fixé à 4,9 milliards d’euros par opérateur, il est finalement égal à 619 millions d’euros, sur la base de quatre licences attribuées, chacune pour vingt ans. À ce montant s’ajoute une taxe de 1 % sur le chiffre d’affaires, une fois les services commercialisés.
Les conditions de candidature ont été publiées en août 2000. Seuls deux dossiers ont été remis à l’ART au 31 janvier 2001, date de clôture de l’appel à candidatures : Orange, la filiale mobile de France Telecom et SFR, filiale de Vivendi Universal. Deux postulants déclarés, le troisième opérateur mobile national Bouygues Telecom et un consortium dénommé ST3G, conduit par Suez et associé à l’opérateur espagnol Telefonica, se sont désistés au dernier moment, jugeant le montant demandé pour la licence trop élevé. Les licences correspondant aux deux candidatures reçues ont été attribuées par arrêtés publiés au Journal officiel du 21 août 2001 à Orange et SFR.
Puisque seulement deux licences ont pu être attribuées, une seconde consultation est organisée par l’ART en 2002 afin d’atteindre le nombre d’opérateurs initialement prévu, considéré par les pouvoirs publics comme indispensable à une vraie concurrence. La difficulté est de rendre cette nouvelle consultation suffisamment attrayante pour que des candidatures se manifestent, alors même que les opérateurs issus de ce nouveau tour auront à combler un retard de l’ordre d’une année sur les deux premiers tout en étant, pour au moins l’un d’entre eux, un nouvel entrant sur le marché français, sans synergie possible avec un réseau GSM déjà installé.
Comme dans les autres pays européens, la date de mise en service commercial, initialement prévue mi 2002, est repoussée à 2003, voire 2004. Les industriels fournisseurs de terminaux ont en effet annoncé des retards dans le développement de ces nouveaux produits.

5. Services offerts
Du fait de la place très large occupée par les systèmes de deuxième génération, l’arrivée d’un nouveau système ne peut pas ignorer l’existant, notamment en matière de services offerts. Ainsi, une certaine compatibilité est assurée entre l’offre de services sur un réseau GSM et l’offre sur un réseau UMTS. La segmentation en services supports, téléservices et services supplémentaires, héritage du modèle RNIS (réseau numérique à intégration de services), est conservée. Dès la mise en place de la première phase de l’UMTS, la version 99 définie par le 3GPP, l’ensemble des services définis dans le GSM est supporté. Des services spécifiques commencent à apparaître, mais les services existant sur les réseaux GSM sont tous conservés, que ce soit en mode circuit ou en mode paquet.
Ce qui est nouveau, par contre, c’est la définition de classes de qualité de services et la négociation de la qualité de service (QoS : Quality of Service). Non seulement les services proposés sont rangés dans des classes de qualité en fonction des paramètres importants de leur fourniture, comme le temps de transfert acceptable, par exemple, mais la qualité de service peut varier en fonction des ressources radio disponibles, de la couverture radioélectrique du lieu, etc.
5.1 Classes de qualité de service
Quatre classes de qualité de service ont été définies en fonction du délai acceptable pour la transmission de l’information, de la variation possible de ce délai et de l’importance accordée à l’intégrité de l’information. Cette définition est utilisée par le réseau UMTS pour optimiser l’allocation des ressources du réseau en fonction des priorités et des besoins particuliers à chaque service.
Erreur! Signet non défini.Classe A : mode conversation (conversational)
La classe A regroupe les applications en mode phonie et visiophonie, c’est-à-dire les conversations entre deux ou plusieurs personnes. Pour ces applications, la quasi-instantanéité du transfert de l’information est le paramètre essentiel. Par contre, la perception humaine tolère et corrige dans une certaine mesure les erreurs de transmission, qu’il s’agisse d’une parole déformée ou d’une image imparfaite.
Exemple
La téléphonie, la visiophonie ou des jeux vidéo constituent des services de classe A.
Erreur! Signet non défini.Classe B : mode flux de données (streaming)
La classe B est la classe des applications asymétriques correspondant à une communication entre un utilisateur et un serveur. Principalement, l’utilisateur interroge le serveur par une requête limitée en quantité d’information et en débit, le serveur transmettant au contraire une quantité importante d’informations, si possible à un débit élevé. Par rapport à la classe A, le retard dans le transfert des données peut être plus important sans que la qualité de service perçue par l’utilisateur en soit affectée.
Exemple
Des services de la classe B sont la vidéo à la demande, la diffusion de programmes musicaux ou des transferts d’images.
Erreur! Signet non défini.Classe C : mode interactif (interactive)
Comme pour la classe B, les services de classe C impliquent un utilisateur et un serveur mais cette fois, le dialogue est interactif et il s’agit d’un serveur de données ou d’applications informatiques, comme des pages Internet, par exemple. L’absence de signaux de parole ou vidéo conduit à relâcher la contrainte sur la transmission en temps réel. La réponse à la demande de l’utilisateur doit juste lui parvenir dans un délai psychologiquement acceptable. Par contre, s’agissant de fichiers informatiques, il est essentiel que l’information ne soit pas altérée par la qualité de la transmission.
Exemple
Il s’agit ici de la navigation sur Internet, du transfert de fichiers, des applications de commerce électronique.
Erreur! Signet non défini.Classe D : mode tâche de fond (background)
La classe D est similaire à la classe C mais les informations transmises ont un moindre degré de priorité. Le délai de transmission peut être plus long.
Exemple
C’est le cas d’une transmission de fax ou de messages courts.
5.2 Services en mode circuit
L’évolution des services fournis en mode circuit se fait à partir des services déjà fournis sur un réseau GSM. Le découpage en téléservices, services supports et services supplémentaires est conservé.
Pour les téléservices, une nouvelle définition des attributs utilisés pour les caractériser a été introduite par le 3GPP, afin de pouvoir décrire des services plus évolués. Ces attributs sont groupés en :
 attributs de haut niveau ;
 attributs de bas niveau, ces derniers décrivant les capacités de transport qui supportent les téléservices, attributs de transfert d’information et attributs d’accès ;
 attributs généraux.
Les téléservices, seuls services comprenant des attributs de haut niveau, sont regroupés en catégories, selon leur attribut dominant, qui est le type d’information de l’usager :
 parole :
 transmission de parole (téléphonie, appels d’urgence) ;
 service vocal de groupe (appels de groupe, diffusion de messages parlés) ;
 message court :
 point à point (origine mobile, origine réseau) ;
 diffusé dans une cellule ;
 fac similé : transmission de fax groupe 3 (en alternance avec la parole, automatique).
Par rapport à un réseau GSM, l’UMTS permet un enrichissement des services qui va se traduire par une plus grande rapidité d’accès, une plus grande quantité d’informations transmises ou une meilleure qualité. L’apparition dès le déploiement des réseaux GSM/GPRS de services en mode paquet et la généralisation de ce mode de transmission dans les réseaux UMTS, va conduire au maintien du mode circuit pour les services qui nécessitent une quasi-instantanéité de la transmission, comme les services vocaux dans leur ensemble. Les services de données qui nécessitent une transmission en mode circuit bénéficieront d’un débit pouvant atteindre 384 kbit/s, équivalent à l’évolution EDGE du GSM.
Pour ce qui concerne le service de téléphonie, les réseaux GSM supportent trois codeurs de parole, plein débit, demi-débit et plein débit amélioré (EFR : Enhanced Full Rate). Ce dernier codeur a pris le pas sur le plein débit d’origine, tandis que le codeur demi-débit n’a que très rarement été mis en œuvre. Si le marché demande effectivement un codeur de parole permettant, en usage normal, d’obtenir une qualité comparable à celle d’un téléphone fixe, la consommation de ressources engendrée par ce type de codeur peut s’avérer gênante dans un réseau proche de la saturation. Avec l’interface radio W-CDMA de l’UMTS, la dégradation de qualité peut amener à une qualité de service bien inférieure à celle qu’aurait donné le codeur demi-débit du GSM. C’est pourquoi est introduit un nouveau concept de codeur multidébit adaptatif (AMR : Adaptative Multi-Rate speech codec). En fonction de la qualité de la transmission, et au cours d’un même appel téléphonique, le codeur peut changer de débit toutes les 20 ms pour réduire son besoin de ressources ou au contraire pour revenir à un codage moins contraignant. Le codec AMR défini pour l’UMTS propose huit débits différents, qui sont contrôlés par le réseau d’accès : 12,2 kbit/s (l’actuel EFR), 10,2 kbit/s, 7,95 kbit/s, 7,40 kbit/s (codec du système américain actuel IS-41), 6,70 kbit/s (codec japonais PDC), 5,90 kbit/s, 5,14 kbit/s et 4,75 kbit/s. Certains de ces codecs sont repris de systèmes existants, comme le GSM, l’IS-136 ou le PDC.
Le service de message court peut, dans un réseau UMTS, être assuré en mode circuit ou en mode paquet.
Par rapport au même service dans un réseau GSM de phase 2, on note que pour le service point à point, un accusé de réception du message peut maintenant être transmis à l’expéditeur, via le centre de messages courts (SMS-C : Short Message Service-Centre) qui reste l’intermédiaire obligé entre l’émetteur et le destinataire du message. Il n’est toujours pas envisagé que deux abonnés puissent s’envoyer directement des messages en établissant une connexion d’appel. Il n’y a pas d’accusé de réception pour les messages diffusés.
Pour le service point à point, la longueur des messages est toujours limitée à 160 caractères.
Les messages diffusés dans une aire géographique prédéfini (ensemble limité de cellules) sont toujours diffusés par le réseau à destination de mobiles et comportent au plus 93 caractères. Un identifiant est associé à chaque message car, la plupart des messages étant envoyés en boucle, il convient d’éviter qu’un mobile stocke plusieurs fois le même message. En mode circuit, ils peuvent être ignorés par le mobile, notamment s’il est en communication. En mode paquet, un mobile peut recevoir des messages diffusés pourvu qu’il ne soit pas en train de recevoir des données.
Parmi les services supportés en mode circuit, il en existe deux qui n’existaient pas dans les réseaux GSM de phase 2 mais qui sont supportés par l’interface GERAN. Il s’agit des appels de groupe et du service de messages vocaux diffusés. Le service d’appels de groupe (VGCS : Voice Group Call Services) fournit un service de conversation à l’alternat entre plusieurs mobiles appartenant à un groupe prédéfini et pouvant se trouver dans la même cellule. Ce service est disponible dans les réseaux UMTS et EDGE. Une variante est la possibilité pour un abonné de s’adresser à un groupe prédéfini d’usagers par un message vocal, sans possibilité de réponse. C’est le service de messages vocaux diffusés, lui aussi disponible dans un réseau EDGE ou UMTS.
Les services supports sont caractérisés par le débit maximal possible qui peut atteindre dans de bonnes conditions 384 kbit/s pour un usager donné. Cependant, il est prévu que la majorité des services de données soit progressivement assurée en mode paquet.
Les services supplémentaires, le plus souvent associés aux services vocaux, ne diffèrent pas sensiblement de ceux proposés par les réseaux GSM, eux-mêmes largement inspirés par le téléphone fixe.
5.3 Services en mode paquet
C’est le GPRS, étape intermédiaire entre le GSM traditionnel et l’UMTS, qui a introduit le mode paquet sur la voie radio, mais l’UMTS fait de ce mode de transmission des données son mode principal. En mode paquet UMTS, un débit de 2 Mbit/s pour un usager peut être atteint. Il est vraisemblable que ce sont les services appartenant aux classes C et D (interactif et tâche de fond) qui feront le plus appel à la transmission en mode paquet, même s’il n’y a pas d’exclusivité en ce domaine. En effet, une des caractéristiques de la transmission en mode paquet est la possibilité de transmission différée de l’information, soit due à des mécanismes de mise en file d’attente, soit pour cause de réémission de paquets erronés.
La transmission en mode paquet se prête bien aux communications intermittentes, comme l’interrogation d’une base de données, où des paquets vont être envoyés en rafale, au gré des requêtes de l’utilisateur et des réponses du serveur de données, ces réponses pouvant être différées de quelques secondes, voire quelques minutes. C’est le cas typique d’un téléchargement de document : l’abonné sait que cela va prendre un certain temps, et le fichier peut être reconstitué localement, même si l’un des paquets a dû être retransmis plusieurs fois. Cette possibilité de retransmission a pour conséquence qu’il n’est pas nécessaire de prévoir des dispositifs correcteurs d’erreurs aussi performants qu’en mode circuit.
Par ailleurs, dans un dialogue entre l’utilisateur et le serveur, la transmission d’informations est forcément interrompue par le temps pendant lequel l’usager prend connaissance de l’information reçue (c’est le paramètre « temps de lecture », ainsi nommé même s’il s’agit d’un document multimédia : intervalle de temps entre l’arrivée du dernier paquet d’un appel en mode paquet et l’émission de la requête pour l’appel suivant). Ce temps libre peut être mis à profit par l’opérateur du réseau pour optimiser les ressources sur l’interface radio. Dès lors, de longues sessions, où le terminal est pratiquement tout le temps en veille mais quand même connecté, sont possibles à un coût acceptable pour l’utilisateur. On peut rester connecté au réseau de son entreprise, recréant ainsi un environnement comparable à celui du bureau et de son réseau local, et recevoir des e-mails en direct, y répondre, télécharger des pièces jointes, consulter une base de données de l’entreprise sans devoir à chaque fois établir un nouvel appel. On définit ainsi un modèle statistique de trafic en mode paquet :
 le trafic survient en rafale : le débit peut passer à plusieurs centaines de kilobits par seconde en un instant ;
 les services de données en mode paquet tolèrent des délais de transmission bien supérieurs aux services en temps réel. Cela est bien adapté aux services de classe C (interactif), où l’usager attend une réponse dans un délai raisonnable, ainsi qu’aux services de classe D (tâche de fond), où la transmission peut se faire lorsque l’interface radio est libre ;
 les paquets peuvent être retransmis, ce qui permet de tolérer une moins bonne qualité de la transmission et un taux d’erreur plus élevé qu’en mode circuit.
Il est bien entendu possible de transmettre également des services en temps réel en mode paquet, comme par exemple la transmission de la voix sur le protocole Internet. Cela ne fait pas l’objet pour le moment d’une spécification UMTS particulière, mais doit être assimilé à des transmissions « voix sur IP » telles qu’elles commencent à exister sur l’internet filaire.
5.4 Services basés sur la localisation
Les services offerts aux usagers en fonction de leur localisation semblent prometteurs pour l’UMTS car ils apportent une vraie nouveauté par rapport aux systèmes existants, dans un domaine qui est directement lié à la mobilité, et répondent à une attente à peu près certaine. On distingue des services de type push et des services de type pull :
 type push : le terminal reçoit automatiquement des informations de localisation ;
 type pull : le terminal demande sa localisation au réseau.
Trois méthodes de localisation sont définies dans la version 99 de l’UMTS :
 localisation au niveau de la cellule ;
 méthode OTDOA-IPDL (Observed Time Difference Of Arrival – Idle Period DownLink) ;
 localisation par GPS (Global Positioning System).
Toutes ces méthodes ne donnent pas la même précision et ne sont donc pas équivalentes en fonction de l’application envisagée. La localisation au niveau de la cellule, par exemple, ne donne pas le même résultat dans une zone très dense, où le rayon de la cellule peut descendre à une centaine de mètres et à la campagne où il peut atteindre une dizaine de kilomètres. En ville, cette méthode est certainement bien adaptée à la recherche d’une liste des commerçants les plus proches, d’autant que la réception d’un signal GPS n’y est pas forcément garantie.
La position du mobile doit pouvoir être transmise dans un format standard comme par exemple des coordonnées géographiques, à l’abonné, à son mobile, à l’opérateur de réseau, au fournisseur de services, ou pour des applications internes à la gestion du réseau mobile. La précision de la localisation fait partie des paramètres négociables de qualité de service. Pour des services à valeur ajoutée ou des services internes au réseau mobile, elle peut varier de 10 m à 1 km en horizontal et de 10 m à quelques centaines de mètres si nécessaire en vertical, selon le besoin de l’application et les conditions radioélectriques instantanées.
Pour les appels d’urgence, le service doit non seulement localiser le mobile appelant, peut-être en mode automatique, mais aussi acheminer l’appel vers le centre de secours compétent compte tenu de l’emplacement trouvé. La précision de cette localisation, horizontalement, est fixée par les autorités locales. Il n’y a pas de règle pour une éventuelle localisation verticale.
Exemple
Aux États-Unis, d’ici fin 2004, tous les mobiles devraient être capables de supporter un service de localisation, avec une précision de 50 m à 300 m selon la méthode retenue.
Comme un réseau GSM, un réseau UMTS accepte les appels d’urgence d’un mobile non autorisé, par exemple s’il n’est pas équipé de carte SIM.
Bien entendu, un dispositif permet à un usager d’interdire la localisation de son mobile. Toutefois, ce dispositif peut être contourné pour les appels d’urgence et pour les interceptions d’appels sur requête judiciaire.
5.5 Environnement « domestique virtuel »
L’environnement « domestique virtuel » (VHE : Virtual Home Environment) est un concept qui permet à un usager qui a personnalisé son environnement de services de conserver cet environnement quand il change de réseau ou de terminal, sous réserve que le réseau visité ou le terminal utilisé supportent cet environnement personnel.
L’environnement personnel est composé de services personnalisés, d’une interface usager personnalisée, cet ensemble étant indépendant du mode d’accès, qu’il s’agisse d’un réseau fixe ou mobile, GSM ou UMTS, etc.
L’environnement domestique (HE : Home Environment) contrôle la fourniture des services à l’usager. Le profil personnel des services de l’usager combine les services avec une information de personnalisation. L’usager peut avoir plusieurs profils pour gérer ses communications différemment selon qu’il est à son travail, chez lui, en voiture ou à la maison. Les services fournis à l’usager par l’opérateur peuvent permettre ou même requérir une action de personnalisation de sa part.
Les services peuvent être proposés par un ou des fournisseurs spécifiques, différents ou non de l’opérateur de réseau et qu’on appelle les fournisseurs de services à valeur ajoutée de l’environnement domestique (HE-VASP : Home Environment-Value Added Services Provider). La fourniture de ces services est transparente pour l’usager, un même HE-VASP pouvant fournir plusieurs services différents et le même service pouvant être proposé par des HE-VASP concurrents.
L’environnement personnel de services (PSE : Personal Service Environment) décrit la manière dont l’usager souhaite gérer ses services. C’est une combinaison de liste d’abonnements, d’options liées à ces services, d’interfaces préférentielles parmi celles possibles sur le terminal, et de toute autre information provenant de l’expérience personnelle de l’usager.
Une combinaison de différentes préférences ou options définit un profil usager. Un usager peut définir un ou plusieurs profils usager. Chaque profil usager est composé de deux types d’informations, selon qu’elles sont liées à l’interface (user interface profile) ou aux services (user services profile).
Quand un usager a défini plusieurs profils, l’activation de l’un d’entre eux se fait soit de manière statique, sur action de l’usager, soit de manière dynamique, quand le profil approprié est automatiquement activé sur des critères tels que le jour de la semaine, l’heure, la position géographique, le terminal utilisé. Un des cas les plus courants est la coexistence d’un profil professionnel, activé par exemple pendant les heures habituelles de travail, mais aussi pendant un séjour au bureau, à n’importe quelle heure du jour, et d’un profil privé, activé le reste du temps ou spécifiquement au domicile de l’usager.

6. Interface radio W-CDMA
6.1 Modes FDD et TDD
Un système de radiocommunications bidirectionnel doit transmettre des signaux dans le sens mobile vers réseau, dit sens montant, et dans le sens réseau vers mobile, dit sens descendant. Les systèmes de radiocommunications professionnelles ont longtemps toléré de n’utiliser qu’une fréquence radio commune aux deux sens, les interlocuteurs prenant la parole à tour de rôle : c’est le mode d’accès à l’alternat. Les systèmes cellulaires étant ouverts à un large public, il a été dès l’origine nécessaire de prévoir un système permettant aux deux utilisateurs en communication de parler simultanément, comme c’est le cas en téléphonie fixe : c’est le mode d’accès duplex.

Erreur! Signet non défini.FDD
Dans un premier temps, c’est-à-dire pour les réseaux analogiques et pour le GSM, la seule solution retenue pour fournir un accès duplex a consisté à appairer des couples de fréquences, l’écart entre ces fréquences étant constant et appelé écart duplex. Il vaut :
 pour le GSM : 45 MHz ;
 pour le TETRA : 10 MHz ;
 pour l’UMTS : 60 MHz.
Exemple
Dans un réseau GSM, deux bandes de fréquences sont réservées, l’une pour les canaux montants, l’autre, avec des valeurs plus élevées de 45 MHz, pour les canaux descendants.

Erreur! Signet non défini.TDD
Avec l’apparition des systèmes numériques, et notamment du mode d’accès à répartition dans le temps, où le signal à transmettre est découpé en intervalles de temps élémentaires de moins de 1 ms chacun (577 µs en GSM, par exemple), il a été possible de concevoir des systèmes où l’accès duplex consiste à allouer des intervalles de temps successifs à des sens de transmission différents. On crée un système à l’alternat automatique, à un rythme tel que le changement de sens est imperceptible à l’oreille. C’est notamment le mode utilisé pour la norme européenne de téléphones sans fil, le DECT (Digital European Cordless Telephony). L’avantage de ce mode d’accès est de ne nécessiter qu’une seule bande de fréquences.

l’UMTS présente l’originalité de supporter les deux modes FDD (dans les bandes appairées) et TDD (dans les bandes non appairées). Outre le fait déjà cité de ne nécessiter qu’une fréquence pour les deux sens de transmission, le mode TDD, moins rigide, est bien adapté aux communications à caractère dissymétrique. Quand l’un des sens de transmission est quasiment tout le temps en attente parce que des informations sont diffusées dans l’autre sens, comme c’est le cas pour la consultation de pages Web par exemple, il est inutile de mobiliser un canal de capacité équivalente dans deux bandes de fréquences différentes.
6.2 Rappel sur le CDMA
Le mode de partage des ressources radio entre les usagers d’un réseau de radiocommunications est un des critères principaux de qualité de ce réseau. En particulier, la capacité du réseau, c’est-à-dire le nombre d’abonnés acceptable avant saturation va dépendre du mode d’accès multiple retenu.
Dans les réseaux analogiques, une seule solution était possible, l’accès multiple à répartition de fréquences (FDMA : Frequency Division Multiple Access), mécanisme dans lequel un usager en cours de communication se voit attribuer un couple de fréquences qui lui est réservé pour toute la durée de l’appel.
Dans un système GSM, l’accès est à répartition dans le temps (TDMA : Time Division Multiple Access), c’est-à-dire que plusieurs usagers (jusqu’à huit pour le GSM) se partagent le même couple de fréquences, leurs communications respectives étant découpées en intervalles de temps de 577 µs, multiplexés les uns derrière les autres. On pourrait penser que la capacité d’un réseau GSM est huit fois supérieure à celle d’un réseau analogique mais il n’en est rien car le canal radio GSM, s’il peut supporter huit appels simultanés sur la même fréquence porteuse, occupe 2 x 200 kHz de largeur quand un canal analogique occupe en général 2 x 25 kHz. La quantité d’information à transmettre étant la même, il n’est pas surprenant que la largeur de bande occupée par un usager soit équivalente. Par contre, la capacité dépendra de la robustesse du système aux brouillages, notamment du niveau d’interférences acceptable.
Si les systèmes analogiques sont tous à accès multiple à répartition de fréquences, les systèmes numériques se partagent en deux catégories : accès à répartition dans le temps (GSM, TETRA) et plus récemment accès à répartition par les codes (CDMA : Code Division Multiple Access).

Nota : le premier système cellulaire CDMA vient des Etats-Unis. Il est souvent cité par sa norme : IS-95. Il a été développé à partir du milieu des années 1990 pour répondre au succès grandissant du GSM dans le monde.

L’UMTS a adopté un système CDMA nouveau, appelé W-CDMA, ou CDMA large bande, parce que supportant des informations usager pouvant atteindre 2 Mbit/s, au lieu que quelques dizaines de kilobits par seconde pour les systèmes précédents.
Le principe de base du CDMA consiste à affecter à tous les usagers en communication dans une même cellule la même fréquence au même moment, la discrimination entre les appels se faisant grâce à un codage selon un code différent pour chaque usager.
Ce codage est le produit du signal à transmettre par une séquence pseudo-aléatoire de rythme nettement plus élevé (huit fois en W-CDMA) que le signal. Le signal binaire d’origine à transmettre est juste encodé en NRZ (code sans retour à zéro, courant en télécommunications) puis multiplié par la séquence de codage pseudo-aléatoire. Il en résulte un signal de fréquence égale à celle de la séquence pseudo-aléatoire. On dit qu’on a effectué une modulation à séquence directe. On a également procédé à une opération d’étalement de spectre, puisque pour un signal de fréquence maximale F, après modulation, le signal prêt à transmettre a une fréquence maximale nF, où n est le rapport entre le rythme de la séquence de codage et celui du signal à transmettre. On appelle gain de traitement ou facteur d’étalement (SF : Spreading Factor), le paramètre n.
Le récepteur reçoit un signal multiplexé comprenant toutes les séquences codées. Par multiplication avec l’une des séquence de codage, il retrouve un seul signal de départ, les autres étant trop peu décodés, car insuffisamment corrélés, pour être perçus.
Le signal D (pour données) ayant eu un temps de propagation t, le signal reçu à l’instant T est égal au signal émis à (T – t). Par conséquent, le décodage se fait en multipliant le signal reçu D(T – t) par la séquence S(T – t). Les séquences de codage qui ne sont pas bien synchronisées – S(T – t ’) avec t ’ différent de t – se comportent comme des séquences ayant servi à coder d’autres signaux usager, ce qui suppose que ces séquences soient pratiquement orthogonales avec elles-mêmes dès qu’elles sont décalées d’un ou plusieurs éléments binaires.
Le point clé du succès du décodage provient de l’orthogonalité des codes. Les séquences de codage attribuées à une même cellule doivent être suffisamment différentes les unes des autres pour que deux communications différentes ne puissent pas, une fois désétalées, être confondues. On mesure l’orthogonalité entre deux séquences de codage différentes par leur fonction de corrélation. Il peut s’agir de deux séquences émises pour être différentes, parce qu’elles correspondent à deux communications différentes (intercorrélation) ou de la même séquence reçue à deux instants différents, donc décalée temporellement (autocorrélation).
Les codes mis en œuvre dans un réseau UMTS sont de type OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor, gain de traitement variable et orthogonal). Ils sont appelés codes de canal et obéissent aux propriétés suivantes :
 les séquences sont rigoureusement orthogonales ;
 les séquences ne sont pas toutes de même longueur, ce qui permet d’ajuster le gain de traitement au débit des données à transmettre.
Comme il est détaillé dans [2], on mesure l’importance de la corrélation entre deux séquences plus ou moins différentes par le nombre d’éléments binaires identiques moins le nombre d’éléments binaires différents.
R = 0100111001
S = 1001101110

Nota : les éléments binaires identiques sont en caractères gras.

La corrélation entre R et S est définie par la fonction d’intercorrélation R (S,T) = 3 – 7 = – 4, puisqu’il y a trois éléments identiques et sept éléments différents. L’intercorrélation est élevée lorsque la fonction R(S,T) prend une valeur positive proche de la longueur de la séquence, et est faible pour les valeurs de R(S, T) nulles ou négatives, ce qui est le cas ici.
La fonction précédente doit être calculée dans tous les cas possibles, car deux séquences différentes peuvent être reçues décalées dans le temps. Il importe de vérifier qu’un tel décalage accidentel ne provoque pas une meilleure intercorrélation. On définit donc finalement une matrice de fonctions d’intercorrélations R(S(i),T(j)) où i et j, qui représentent le nombre d’éléments binaires de décalage par rapport à la référence temporelle, varient indépendamment de 0 à (n – 1), pour une séquence de longueur n.
Pour une même séquence donnée, on définit ensuite la fonction d’autocorrélation d’une séquence avec elle-même. Le phénomène de décalage temporel entre deux séquences identiques mais reçues à deux instants différents très proches est mesuré par le nombre d’éléments binaires d’avance de la deuxième séquence par rapport à la première. L’autocorrélation est calculée comme s’il s’agissait de deux séquences différentes, en comparant les éléments binaires reçus à un instant précis.
Exemple
Soit une séquence S = 1110011 et S(i) la même séquence décalée de i éléments binaires par rapport à la précédente.
R(S, S(0)) = 7 Corrélation maximale, puisque l’on compare la séquence à elle-même.
R(S, S(1)) = 5 – 2 = 3 Corrélation moyenne, alors qu’elle devrait être faible, puisque les deux séquences ne sont pas en phase.
R(S, S(2)) = 3 – 4 = – 1 Corrélation nulle, conforme au résultat espéré.
La limitation du nombre de séquences parfaites est une des limitations de capacité des systèmes CDMA.
Dans un système CDMA, les séquences de codes employées sont telles que :
 la fonction d’autocorrélation de chaque séquence de codes est maximale pour i égal à 0 et faible ou négative pour i différent de 0 ;
 l’intercorrélation entre les séquences de codes prises deux à deux est faible ou négative, voir si possible nulle (séquences parfaitement orthogonales).
Les codes OVSF de l’UMTS sont des suites de 1 et de – 1 générées de la manière suivante :
C1 = 1
C2 se décompose en C2,1 et C2,2 en ajoutant 1 et – 1 à C1, pour donner une séquence de longueur égale à deux éléments :
C2,1 = 1 1
C2,2 = 1 –1
De même :
C4,1 = 1 1 1 1 (C2,1 C2,1)
C4,2 = 1 1 –1 –1 (C2,1 – C2,1)
C4,3 = 1 –1 1 –1 (C2,2 C2,2)
C4,4 = 1 –1 –1 1 (C2,2 – C2,2)
La valeur limite est C256,i (i variant de 1 à 256), pour les canaux montants et C512,j (j variant de 1 à 512) pour les canaux descendants.
De manière générique, les séquences de codage sont définies comme :
C[SF,i (pour 0 < i < SF – 1)]
On construit un arbre des codes qui montre que lorsque deux codes sont sur la même branche de l’arbre, signe que l’un a généré l’autre, ils ne sont pas forcément orthogonaux, alors que deux codes situés sur des branches différentes le sont. La longueur des codes donne directement la valeur du gain de traitement (SF = 4 correspond aux codes C4,i). Le nombre de codes utilisables simultanément est limité puisque, si tous les codes d’un même niveau de gain de traitement sont employés, plus aucun autre code n’est disponible, chaque code bloquant la branche à laquelle il appartient jusqu’au niveau racine.
Les séquences de codes ainsi définies ne sont pas toutes pseudo- aléatoires. Par exemple, les séquences de type C(2n,1) sont des suites ininterrompues de 1, donc particulièrement prédictibles et avec une fonction d’autocorrélation égale à leur gain de traitement. Un deuxième niveau de codage est donc employé, appelé code de brouillage. Ces codes sont générés par des suites de registres à décalage et d’additionneurs de type « ou exclusif ».
Sur l’interface UTRAN, le mécanisme est plus élaboré et le générateur est composé de 25 registres à décalage, générant une séquence de Erreur! Signet non défini.éléments binaires. Pour disposer d’un code de brouillage de taille équivalente à la longueur d’une trame radio, soit 10 ms, le débit binaire des codes étant égal à 3,84 Mc/s, 38 400 éléments composent une séquence PN.
Pour en savoir plus sur le système CDMA, le lecteur est invité à se reporter à l’article [E 7 366].
6.3 Paramètres du W-CDMA
Comme indiqué ci-avant, l’accès multiple étant obtenu grâce à un élargissement de spectre à séquence pseudo-aléatoire, cet élargissement conduit à une largeur de canal approximativement égale à 5 MHz, ce qui est à l’origine du nom Wide band CDMA (W-CDMA).
L’UTRA fait appel aux deux modes possibles, FDD et TDD, ce qui permet d’optimiser le déploiement en fonction des fréquences ou des bandes de fréquences disponibles dans une région donnée.
Les séquences de code s’expriment en mégachips par seconde (Mc/s), c’est-à-dire en nombre d’éléments binaires transmis à chaque seconde. En mode FDD, l’UTRAN utilise des séquences à 3,84 Mc/s. En mode TDD, deux rythmes de codage sont possibles : 3,84 Mc/s mais aussi 1,28 Mc/s.
Le signal est découpé en trames de 10 ms, elles-mêmes divisées en quinze intervalles de temps, de 2 560 chips par intervalle avec un rythme de 3,84 Mc/s.
Le débit d’information, mesurable par le nombre de symboles transmis chaque seconde, est le rapport entre le débit des chips et le gain de traitement.
Exemple
3,84 Mc/s et un gain de traitement de 8 correspondent à un débit binaire de 3,84/8 = 0,48 Mbit/s.
Les gains de traitement peuvent varier de 4 à 256 sur le canal montant en mode FDD et de 4 à 512 dans l’autre sens. En mode TDD, ils varient de 1 à 16 quel que soit le sens de transmission. Par conséquent, le débit de symboles d’information varie de 960 000 symboles par seconde à 15 000 symboles par seconde pour le mode FDD montant (960 000 à 7 500 symboles par seconde pour le sens descendant). En mode TDD, l’échelle des valeurs s’étend de 240 000 à 3,84 millions de symboles par seconde.
En mode TDD bande étroite, c’est-à-dire quand le débit de la séquence de codage est égal à 1,28 Mc/s, la trame de 10 ms est divisée en deux sous-trames de 5 ms chacune. La première contient sept intervalles de temps normaux et la deuxième contient trois intervalles de temps spécifiques. Le gain de traitement restant compris entre 1 et 16, le débit de symboles peut dans ce cas varier de 80 000 symboles par seconde à 1,28 million de symboles par seconde.
6.4 Problèmes et performances du W-CDMA
6.4.1 Avantages
Le système W-CDMA apporte, par rapport aux systèmes de deuxième génération qu’il est appelé à remplacer, les avantages d’une plus grande bande passante disponible pour l’usager, mais aussi l’avantage d’une plus grande souplesse dans l’allocation des ressources nécessaires et dans le déploiement du réseau.
Dès le départ, le W-CDMA a été orienté vers la transmission de données en mode paquet. Couplé avec le mode d’accès CDMA, le mode paquet permet d’établir des communications de bande passante variable, même en cours d’appel, d’établir des communications permanentes tout en ne faisant payer à l’usager que les informations transmises, indépendamment de la durée de l’appel.
La planification cellulaire, c’est-à-dire le choix des fréquences à mettre en œuvre dans une cellule compte tenu des cellules voisines est également une contrainte qui est grandement simplifiée, dans la mesure où ce sont les séquences de codage qui différencient les communications, et non pas les fréquences porteuses comme c’est le cas dans les systèmes FDMA et TDMA. On peut envisager d’utiliser les mêmes fréquences dans des cellules adjacentes. Pour cette raison, le process de handover peut être simplifié.
Enfin, le mode TDD se prête bien à certaines applications très asymétriques, comme les requêtes à des serveurs de données et le transfert de fichiers, sans gaspillage de ressources sur la voie montante.
6.4.2 Trajets multiples
Même si les ondes électromagnétiques se propagent en ligne droite en espace libre, c’est rarement le cas dans un environnement réel, notamment urbain. Les réflexions et réfractions sur les immeubles ou tout simplement le relief entraînent des retards pour certains parcours empruntés par un signal donné. Le récepteur ne reçoit pas toute l’énergie transmise en une fois, mais en plusieurs trains successifs. Parfois également, deux chemins de même durée mais ayant subi des déphasages différents peuvent conduire à la somme sur le récepteur de deux signaux en opposition de phase, donc s’annulant.
Dans un système W-CDMA, la durée d’un chip étant de 0,26 µs, si la différence de temps entre deux signaux atteignant un récepteur est supérieure à cette valeur, il sera possible d’identifier, de décoder indépendamment les deux composantes de ce signal puis de les additionner dans un récepteur à corrélation. Cette méthode est appelée diversité de trajets multiples. Ce délai minimal correspond à une différence de parcours de 78 m, ce qui rend la méthode utilisable même dans un environnement microcellulaire.
Le récepteur utilisé est du type «