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Chapitre II : Evolution du core network vers NGN/IMS

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II.1 Définition sur le Next to Generation Network (NGN) et IP Multimedia Subsystem (IMS)

Tout d’abord, rappelons que l’acronyme NGN (Next Generation Network) est un terme générique qui englobe différentes technologies visant à mettre en place un concept, celui d’un réseau convergent multiservices. En particulier, il n’existe pas de définition normalisée d’un NGN, de même qu’il n’y a pas de standard internationalement reconnu et accepté dans ce domaine.

Par contre l’IMS est défini dans la spécification 3GPP Release 5 de l’UMTS, l’architecture IMS constitue une couche logique intermédiaire entre, d’un côté, les terminaux mobiles et les réseaux de transport orientés IP et, de l’autre, les services applicatifs télécoms gérés par des serveurs opérés par l’opérateur ou des fournisseurs tiers. A la manière de l’approche NGN, l’architecture IMS reprend une approche en couches.

II.2 Migration du Coeur réseau mobile vers NGN

L’évolution des réseaux mobiles vers une architecture multiservice a suivi une tendance plus régulière aussi bien au niveau technologique que sur le plan de la normalisation. En partant du réseau GSM pour le transport de la voix et qui est basé sur la commutation de circuits, le besoin de convergence voix/données a donné naissance au GPRS. Ce fut une évolution majeure du GSM par l’utilisation de la commutation de paquets et l’augmentation des débits, la génération 2.5, le GPRS, a ouvert la porte aux applications multimédias et implicitement une transition vers les réseaux de troisième génération : apparition de l’UMTS (voir figure 3). Ce dernier est le premier système qui inclut dans ses spécifications une évolution vers l’architecture du futur : le NGN. Dans cette partie, nous allons présenter les évolutions majeures au sein du coeur du réseau UMTS.

Différentes étapes de l’évolution du mobile

Figure 3: Différentes étapes de l’évolution du mobile

A l’heure actuelle, l’UMTS est organisé en différentes versions ou “releases” dénommées R3 (ou R99), R4, R5, R6, R7 et R8. L’architecture UMTS est constituée d’une partie accès (UTRAN) qui repose sur les principes de l’ATM (Asynchronous Transfer Mode), et d’une partie réseau de base appelée CN (Core Network). Les trois releases de l’architecture UMTS (R3, R4, R5) conserve la même partie accès.

Contrairement, la partie réseau de base (CN) est différente d’une release à l’autre. La Release 3 (aussi appelée Release 99) des spécifications de l’UMTS élaborée dans le cadre du projet de partenariat de 3ème génération (3GPP, 3rd Generation Partnership Project) a défini deux domaines pour la partie CN :

– Le domaine de commutation de circuits (CS – Circuit Switched),
– Le domaine de commutation de paquets (PS – Packet Switched).

Le réseau de base UMTS s’appuie sur celui de GSM/GPRS, ci-dessous nous allons trouver une architecture détaillée du réseau GSM/GPRS (réseau du 2.5G).

Architecture du coeur réseau GSM GPRS

Figure 4 : Architecture du cœur réseau GSM/GPRSw

Un réseau GPRS est en premier lieu un réseau IP. L’introduction de la mobilité nécessite par ailleurs la précision de deux nouvelles entités :

– Le noeud de service qui est le SGSN
– Le noeud de passerelle qui est le GGSN

La mise en place d’un réseau GPRS va permettre à un opérateur de proposer de nouveaux services de type DATA à sa clientèle avec un débit de données cinq à dix fois supérieur au débit maximum théorique d’un réseau GSM (débit max en GSM : 9.6 kbit/s).

Le GPRS permet aussi l’utilisation simultanée de tout ou une partie des Time Slot, on aboutit ainsi à un débit maximum théorique de 171.2 kbps. En pratique on s’attend plutôt à une utilisation de 4 TS sur la voie descendante (56kbps) et 1 TS sur la voie montante (14.4kbps).

La mise en parallèle des réseaux circuits et paquets implique deux principales modifications qui apparaissent après les BSC :

– le SGSN gère la mobilité, l’authentification, la compression et le cryptage
– le GGSN sert de passerelle avec les réseaux externes X.25 ou IP, il gère aussi la taxation.

Le réseau de base UMTS R3 s’appuie sur celui du GSM/GPRS que nous allons voir son architecture.

II.2.1 Les différentes étapes de migration du coeur réseau mobile

– Cœur réseau UMTS R3

Architecture du coeur réseau UMTS R3

Figure 5 : Architecture du cœur réseau UMTS R3

L’architecture UMTS telle que décrite dans la release 99 du 3GPP s’appuie sur une nouvelle interface radio, l’UTRAN, et une évolution des cœurs réseaux GSM et GPRS (adaptation des équipements existant ou nouveaux équipements) pour gérer les flux des domaines circuit et paquet.

Dans l’architecture UMTS R99 (R3) :

Les interfaces de l’UTRAN avec le cœur de réseau sont basées sur un transport ATM (AAL2 pour la voix, AAL5 pour les données).

Le transport dans le cœur de réseau peut ensuite être effectué (au choix de l’opérateur) soit en ATM pour l’ensemble des flux, soit en ATM puis TDM pour les flux circuit et en IP pour les flux paquet. La signalisation à l’interface avec l’UTRAN est transportée soit dans des circuits virtuels ATM, soit avec le protocole de transport de SS7 sur IP appelé SIGTRAN.

Les appels multimédias sont supportés, mais de manière transparente. En effet, les messages de signalisations multimédias sont transportés de manière transparente dans une connexion circuit ou dans un contexte PDP (tunnel GTP entre SGSN et GGSN), ce qui évite d’introduire des fonctions multimédias dans les équipements GSM et GPRS, limitant les impacts aux terminaux et à l’ajout de serveurs multimédia (gatekeepers).

La R99 prépare donc l’évolution vers la solution cible tout IP en introduisant dès les débuts de l’UMTS un transport convergent des flux voix et données. Les versions ultérieures de la norme UMTS intègrent une évolution encore plus nette vers une architecture de type NGN.

La release R4 (ex-R99) est la première étape vers un cœur de réseau tout IP, et la release R5 finalise cette évolution.

– Cœur réseau UMTS R4

Architecture du coeur réseau UMTS R4

Figure 6: Architecture du cœur réseau UMTS R4

Conformément à l’un des concepts de base des NGN, la version R4 de la norme UMTS prévoit une évolution optionnelle du domaine circuit, sous la forme d’une restructuration fonctionnelle des MSC pour introduire une séparation des couches transport (Media Gateway) et contrôle d’appel (MSC server). En effet, la station mobile est inchangée; elle offre les mêmes services et les mêmes capacités que dans la R3. La R4 présente des avantages pour le réseau de base en termes de réduction des coûts, de flexibilité et d’évolution.

La réduction des coûts provient d’IP ou d’ATM qui sont des technologies de transport multiservice ignorant les limites des réseaux TDM (Time Division Multiplexing) à 64 kbit/s et qui permettent donc d’optimiser les débits en fonction du service. Dans la R4, la voix est transportée sur IP dans le réseau de base uniquement. C’est la R5 qui traite de cette évolution qui permet l’établissement de sessions multimédia et pas seulement de voix, un transport de bout en bout sur IP, et une offre de services associée.

– Cœur réseau UMTS R5

Architecture du coeur réseau UMTS R5

Figure 7: Architecture du cœur réseau UMTS R5

La release R5 introduit un nouveau domaine, l’IP Multimédia (IM) Subsystem, s’appuyant sur les services du domaine paquet pour fournir des services de communications convergents (voix sur IP, données, multimédia…) en IP natif. Ainsi, les communications multimédias ne sont plus supportées de manière transparente mais deviennent le mode de communication cible de l’UMTS. Ce n’est que pour des raisons de compatibilité avec les réseaux GSM/GPRS et UMTS R99 et avec les terminaux non IP multimédia que le domaine circuit (MSC servers et MGW associées) est maintenu.

En terme de gestion de la mobilité, le HSS UMTS est chargé de la mise à jour du profil utilisateur, et peut intégrer ou coopérer avec des entités standards dans le monde IP, comme un serveur distant d’authentification et d’autorisation (RADIUS) ou un serveur gérant la résolution d’adresse et l’allocation dynamique d’adresse IP (fonctions DNS et DHCP). La figure 8 suivant illustre d’une manière simplifiée les différentes étapes de l’évolution du cœur réseau UMTS

Architecture du coeur réseau UMTS R5 6 7 8

Figure 8: Architecture du cœur réseau UMTS R5/6/7/8

II.3 Migration du cœur réseau fixe vers NGN

La mise en place d’une architecture NGN peut se faire avec une plus ou moins grande ampleur, selon que l’utilisation des technologies NGN s’approche ou non au plus près de l’utilisateur final. Le choix de déploiement à retenir conditionne en grande partie les bénéfices à attendre de la mise en place d’un réseau NGN du point de vue de l’économie de coût.

Quatre grands scénarios peuvent ainsi être dégagés :

– Scénario 1 : Mise en place de solution NGN en transit
– Scénario 2 : Mise en place de solution NGN jusqu’au commutateur de classe 4
– Scénario 3 : Mise en place de solution NGN jusqu’au classe 5
– Scénario 4 : Mise en place de solution tout IP en overlay

1) Migration du trafic téléphonique international sur IP

Pour un opérateur souhaitant déployer une solution VoIP pour son trafic international il suffit d’implémenter :

– Un softswitch qui centralisera le contrôle des appels, le routage du trafic et la gestion des aspects de signalisation. Ce softswitch remplacera le (ou les) commutateur(s) de transit international TDM existant(s).
– Des passerelles media dans les PoP (Points de Présence) situés dans les pays où l’opérateur veut s’interconnecter au réseau national TDM

Architecture d’une solution NGN transit International

Figure 9: Architecture d’une solution NGN transit International

2) Scénario 2 : Mise en place de solutions NGN jusqu’au commutateur de classe 4

Première étape

Au niveau national, l’approche est similaire sauf que ce sont les commutateurs de classe 3 et de niveau hiérarchique supérieur qui seront remplacés par un ou plusieurs softswitchs et passerelles medias.

Evidemment les commutateurs TDM de classe 4 et 5 sont conservés et assurent la livraison des communications téléphoniques TDM de manière tout à fait classique aux abonnés.

Architecture d’une solution NGN transit national

Figure 10 : Architecture d’une solution NGN transit national

Deuxième étape

Le trafic entre commutateurs d’abonnés TDM traditionnels est en fait détourné sur une infrastructure VoIP. Pour cela, l’opérateur connecte ses commutateurs d’abonnés à des Gateway VoIP et des Softswitchs de classe 4.

D’un point de vue architectural, il s’agit de la même solution que pour le scénario précédent à un niveau différent du réseau plus proche de l’abonné. En effet un commutateur de classe 4 ne diffère d’un commutateur de classe 3 ou de niveau hiérarchique supérieur uniquement que par sa capacité de traitement de données. Il n’intègre aucune intelligence réseau. Du coup, pour le réseau NGN, la différence se traduira uniquement par la nature de capacités supportées par les medias gateways et softswitchs. Cette étape permet en fait de fusionner les infrastructures longue distance voix et données sur une même épine dorsale IP. A l’avenir, l’opérateur peut remplacer ses commutateurs locaux d’abonnés TDM par des softswitchs de classe 5 (voir figure 11).

Architecture d’une solution NGN de classe 4

Figure 11 : Architecture d’une solution NGN de classe 4

3) Scénario 3 : Mise en place de solutions NGN jusqu’au classe 5

Les commutateurs de classe 5 constituent le point de raccordement avec l’abonné pour la fourniture des services voix basiques. Toutefois, compte tenu de la forte progression de la pénétration des services hauts débits et du déclin de la demande en services de téléphonie classique, les opérateurs considèrent de plus en plus l’opportunité de faire converger leur infrastructure d’accès vers une plate-forme IP commune.

Cette approche permet la fourniture de bout en bout de services VoIP à condition que l’utilisateur final utilise un équipement IP.

L’opérateur remplace ses commutateurs locaux TDM par des softswitchs de classe 5. A la différence des solutions de classe 4, les serveurs d’appels de classe 5 peuvent supporter tous les types de services proposés par les commutateurs traditionnels locaux et servir tous les types de terminaux raccordés au réseau IP, directement ou par l’intermédiaire de MSAN («MultiService Access Node »), (voir figure 12).

Le commutateur de classe 5 commute le trafic local et le transfert vers le réseau de transit s’il n’est pas en mesure de se connecter directement au commutateur de classe 5 du destinataire de l’appel. Comme les fonctions logiques de concentrateur et de commutateur local sont souvent intégrées au sein d’un même équipement, d’habitude ils sont fournis par le même équipementier et la signalisation entre ces éléments est souvent propriétaire. C’est une
manière de garder un client captif pour un vendeur si bien que les interfaces standardisées
(V5.1 et V5.2) sont rarement disponibles sur les commutateurs actuellement en service dans
les réseaux RTC des opérateurs historiques.

Architecture d’une solution NGN de classe 5

Figure 12 : Architecture d’une solution NGN de classe 5

Les opérateurs historiques, eux, doivent aussi garantir la continuité de leurs services TD actuels. Certains opérateurs ont ainsi choisi de conserver leurs commutateurs TDM et de les équiper de nouvelles cartes afin de faire migrer graduellement le réseau traditionnel vers une architecture NGN de classe 5 tandis que l’opérateur déploiera directement de nouveaux softswitchs pour supporter de nouveaux services basés sur des technologies haut débit.

On voit apparaître une nouvelle génération d’équipements d’accès haut débit baptisés IMAP (Integrated Multiservice Access Platforms) ou MSAN (Multiservice Access Node) qui savent gérer aussi bien des lignes hauts débits que des accès RNIS ou analogiques.

Ces équipements se connectent au réseau IP de l’opérateur et offrent le service téléphonique sous le contrôle du softswitch de classe 5. Ils permettent aux opérateurs historiques de continuer à fournir des services traditionnels, et de continuer à remplir leurs obligations réglementaires, tout en tirant parti des solutions de softswitch IP.

4) Scénario 4 : Mise en place de solutions tout IP en overlay

Dans ce cas, l’opérateur déploie une architecture entièrement basée sur IP, qui n’a pas besoin de se connecter au réseau de commutation existant, ceci en parallèle du réseau traditionnel, qui continue à fonctionner d’une manière autonome. Ce type de solution est particulièrement adapté aux opérateurs historiques qui sont confrontés à une forte chute des revenus de téléphonie classique et qui, pour protéger leur base de clientèle, doivent lancer des solutions innovantes basés sur des technologies alternatives (DSL, FTTH, câble, …).

Le réseau paquet en overlay fournit les services à valeur ajoutée tandis que le réseau TDM traditionnel continue d’assurer le support des services téléphoniques de base. Les deux réseaux s’interconnectent via le déploiement de passerelles (les media gateways dans la figure ci-dessous) afin de garantir une terminaison d’appel sur un téléphone classique alors que l’appelant utilise un téléphone IP et inversement. Les réseaux VoIP et PSTN restent clairement séparés, au niveau du transport du trafic et de la signalisation.

Architecture overlay VoIP

Figure 13 : Architecture overlay VoIP

Afin de garantir la qualité de service nécessaire pour certaines applications, l’opérateur pourra déployer la technologie MPLS en complément de l’IP ou encore avoir recours à une solution IP over ATM (les paquets IP sont alors encapsulés dans des trames ATM).

La stratégie overlay est intimement liée à la stratégie de déploiement du réseau d’accès haut débit de l’opérateur. En effet, de la vitesse de déploiement du réseau DSL et du rythme des abonnements hauts débits dépendent de la date de migration complète des abonnés RTC vers le réseau NGN. C’est ainsi que différentes phases de stratégies de migrations overlay peuvent exister (voir figure 14).

différentes phases de la migration RTC (overlay)

Figure 14 : différentes phases de la migration RTC (overlay)

Ci-après est présentée la stratégie typique de migration, avec mise en place d’un réseau IP envisagée par les grands opérateurs.

Phase 1 : Le DSL tel qu’il est déployé aujourd’hui permet de supporter sur une même ligne, des services vocaux RTC classiques et des services de données en haut débit sur une même paire de cuivre grâce à l’usage de filtres. La carte de la ligne d’abonné est localisée dans le concentrateur local.

Phase 2 : Le DSLAM est remplacé par un MSAN (Multi-Service Access Nodes) supportant à la fois les technologies TDM et ATM/IP. Les cartes RTC et DSL sont maintenant localisées dans le MSAN et la signalisation s’effectue entre le MSAN et le commutateur RTC de classe 5 via les interfaces V5.1 ou V5.2. Les nouveaux abonnés DSL devraient être raccordés à cette nouvelle plate-forme pour les services vocaux et données.

Phase 3 : Le MSAN est mis à niveau pour devenir un pur équipement IP, qui assume la terminaison des appels vocaux RTC et les convertit en VoIP. Un softswitch est désormais nécessaire puisque le commutateur de classe 5 n’est plus relié directement au MSAN. Une passerelle media doit aussi être ajoutée au réseau afin d’assurer la connexion entre le réseau RTC existant et la plate-forme IP pour supporter les appels IP vers RTC. Les abonnés existants et les nouveaux abonnés migrent automatiquement vers la VoIP, même si le service qu’ils reçoivent est toujours de type RTC.

Phase 4 : Une fois que la migration a attiré suffisamment d’utilisateurs et que l’opérateur est prêt, le reste des abonnés RTC peut être transféré sur la nouvelle plate-forme IP et le réseau RTC peut alors être définitivement abandonné.

II.4 les services disponibles dans un réseau NGN et IMS

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 sont supportés. 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.

II.4.1 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.

1) 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.

2) Classe B : mode flux continu 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 transmet 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.

3) 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.

4) Classe D : mode tâche de fond ou téléchargement (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 (SMS).

– Services d’aujourd’hui et demain

o Services Mobiles [Aujourd’hui et demain] :

− Messagerie (SMS, EMS, MMS)
− Services de géolocalisation
− Vidéo 3G
− VoIP avec garantie de qualité de service (QoS)
− IP Multimédia Services avec garantie de qualité de service QoS
− Réseau convergent “TOUT IP”
− Etc.

o Services IMS

− Présence
− Géolocalisation
− Instant Messaging (voix+ vidéo)
− Téléconférence
− Media Streaming / IVRs
− Jeux Multi-player avec canal vocal

Après avoir effectué l’étude d’état des lieux de notre cœur réseau dans le but de préparer une évolution de ce dernier , et une brève présentation de la migration du cœur réseau vers un cœur réseau NGN, nous allons proposer des solutions dans ce dernier chapitre afin de faire évoluer et sécuriser le cœur réseau de Comores télécom.

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