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[email protected]éminaire Aristote, 19/10/2006

L'état de l'art de l'accès aux infrastructures radio:Standards, technologies

Séminaire Aristote, 19/10/[email protected]

v1.6.4, 13/10/2006, DRAFT

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Plan

• Introduction, notions générales

• le Wi-Fi

• le Wi-Fi mesh

• le WiMAX

• la 3G

• Conclusion

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Réseau: terminologie

On classe souvent les réseaux informatiques en 4 catégories:• PAN « Personal Area Network »

– ~ 1–10 mètres ; ex: les équipements proches d'une personne

– non abordé dans cette présentation

• LAN « Local Area Network »– ~ 10 – 100 mètres ; ex: couverture d'un bâtiment

• MAN « Metropolitan Area Network »– ~ 100 mètres – 10 kilomètres ; ex: couverture d'une ville, d'un grand

campus

• WAN « Wide Area Network »– ~ >10 kilomètres ; ex: interconnexion longue distance, coeur de réseau

Internet

Pour les réseaux radio on emploie souvent les termes WLAN ( « LAN radio »), WMAN, ...

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Réseau radio: couche physique

Les ondes radio(électriques):• sont des ondes électromagnétiques

• couche réseau la plus basse des réseaux radio (inclus dans la couche physique PHY)

• propagation entre une antenne émettrice et une antenne réceptrice

Quelques caractéristiques intéressantes des ondes radio:• la fréquence de l'onde (en MHz, GHz, ... )

– le spectre radio c'est l'ensemble des fréquences radio

• la puissance d'émission de l'onde (en mW, W, ...),– conditionne le SNR (rapport signal sur bruit)

– notions liées à la puissance: PIRE, dBm, ...

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Réseau radio: couche physique

L'onde source contient l'information à transmettre, numériquement codée (les bits ...)

• modulation: transformation de l'onde source en une onde adaptée à la transmission radio– généralement par variation d'une onde porteuse à haute fréquence

• largeur de bande: plage de fréquences utilisée par l'onde modulée– « canal » désigne une plage de fréquences

• “efficacité spectrale” d'un codage: débit d'information transmis, divisé par la largeur de bande (en bit/s/Hz)– existence d'une limite théorique à l'efficacité spectrale avec un SNR donné

(théorème de Shannon-Hartley)

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Réseau radio: couches physique et MAC

Partage du «medium» radio: • gestion du duplex (lien montant, lien descendant):

– FDD (multiplexage en fréquence); TDD (multiplexage temporel); ...

• multiplexage entre les différents émetteurs pour l'accès au medium:– FDMA (fréquence); TDMA (temporel); CDMA (étalement spectral); CSMA

(écoute avant émission); ...

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Réseau radio: quelques termes

Deux technologies importantes pour les années à venir ...• MIMO (« Multiple Input, Multiple Output »)

– technologie d'émission et de réception du signal radio avec des antennes multiples

– multiplexage spatial des données (“multipath propagation”)

– augmente l'efficacité spectrale et améliore la transmission en environnement intérieur

• OFDM (« Orthogonal Frequency-division Multiplexing »)– au lieu de transmettre un flux de données sur une bande de fréquence, on

transmet plusieurs sous-flux de données en parallèle sur des sous-bandes de fréquence

– analogie avec le multiplexage en fréquence (FDM)

– augmente l'efficacité spectrale et la résistance aux interférences

– en terme de couches protocolaires, OFDM se situe juste dans la couche physique, au dessus de la modulation

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Aspect légaux: gestion du spectre

Le spectre radio est une ressource rare; l'interopérabilité des produits entre pays est économiquement souhaitable:

• harmonisation et coordination des règles d'allocation de radio-fréquences au niveau mondial (ITU-R), au niveau Européen (CEPT).

• création de l'ETSI (European Telecommunications Standards Institute) en 1988, par le CEPT.

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Aspects légaux: gestion du spectre

En France, le spectre des fréquences radioélectriques appartient au domaine public de l'Etat:

• l'ANFr (Agence Nationale des fréquences), représente à l'international, et coordination des 9 « affectataires » dont:

• l'ARCEP (Autorité de Régulation des Communications Electroniques et des Postes), ex-ART– gère une partie du spectre radio, pour le domaine des

télécommunications,

– attributions à la demande; procédures de sélection (ex: enchères); autorisation générale sous certaines conditions (ex: Wi-Fi).

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Exemple: régime des RLAN, depuis 07/03:– pas de démarche pour l'établissement d'un réseau privé (ex: entreprise,

domicile) ou d'une borne publique directement reliée à un réseau existant (ex: partage d'accès, cybercafé)

– simple déclaration pour l'établissement d'un réseau public (ex: maillage radio pour couverture d'une commune) au lieu d'une licence individuelle d'opérateur précédemment.

– .. pas de garantie contre d'éventuels brouillages.

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Exemple: régime des RLAN, conditions techniques– dans la bande des 2.4 Ghz (Wi-Fi 802.11b et 802.11g) :

intérieur extérieurbande de fréquence

2400-2454 Mhz

100 mW

100 mW

2454-2483.5 Mhz

10 mW

PIRE maximale en France métropolitaine (source ARCEP)

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Exemple: régime des RLAN, conditions techniques– dans la bande des 5 Ghz (Wi-Fi 802.11a ... WiMAX ?) :

lieu PIRE maximale autorisée techniques d'atténuation (2)

intérieur pas d'obligation

intérieur obligatoires

obligatoires

PIRE maximale (source ARCEP)

(2) sélection dynamique de fréquence (DFS) conforme à la norme ETSI EN 301 893

bande de fréquence

densité de PIRE maximale autorisée

5150-5250 Mhz 200 mW 0.25 mW / 25 Khz

5250-5350 Mhz 200 mW avec régulation (1)

10 mW / Mhz avec régulation (1)

100 mW sans régulation (1)5 mW / Mhz sans régulation

(1)

5470-5725 Mhz

intérieur et extérieur 1000 mW avec régulation (1)

50 mW / Mhz avec régulation (1)

500 mW sans régulation (1) 25 mW / Mhz sans régulation (1)

(1) régulation de la puissance de l'émetteur, par atténuattionmoyenne d'au moins 3 dB sur la puissance maximale autorisée

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Aspect légaux: protection des personnes

Protéger les personnes en limitant leur exposition – recommandation Européenne 1999/519/CE relative à l'exposition du public

aux champs électromagnétiques; transposée en France par le décret 2002-775

– ex: à 900 Mhz champ maximal créé de 41V/m; DAS (débit d'absorption spécifique) maximal de 2W/kg dans la tête

– quelle responsabilité pénale ? (mise en danger d'autrui ... )

Une problématique ouverte, un sujet controversé:– les règles existantes sont-elles suffisantes (nature et seuil des limites) ?

(06/05: rapport AFSSET; 12/05: rapport IGAS/IGE « évaluation des méthodes de travail scientifique de l'AFSSE »)

– abaissement à terme des seuils d'exposition ? (proposition de loi 3263 du 06/07/2006, prévoit entre autres la limitation de l'exposition du public à un champ de 0,6 V/m)

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Architecture: réseau point-à-multipoint...

... ou réseau cellulaire

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Architecture: réseau maillé (mesh)

Réseau maillé (“mesh network”):• chaque noeud du réseau communique directement avec un ou

plusieurs autres noeuds du réseau,

• chaque noeud relaie le trafic de/vers les autres noeuds du réseau,

• la topologie est généralement dynamique.

Remarque:– “Ad-hoc” est souvent employé pour dire qu'il n'y a pas d'infrastructure

réseau pré-existante.

– un réseau maillé est un cas particulier “simple” « Mobile Ad-hoc NETwork » (MANET)

– les noeuds sont mobiles, la topologie peut être très mouvante

– un groupe de travail IETF porte aussi le nom MANET (approche niveau 3)

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Architecture: réseau maillé (mesh)

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Standardisation: IEEE et 3GPP

IEEE (« Institute of Electrical and Electronics Engineers »)– organisme de standardisation

– de droit Américain (« incorporated in the State of New York » )

• le « comité IEEE 802 »:– standardisation des réseaux PAN, LAN, MAN à paquets de taille variable

– couches 1 et 2 (PHY et MAC/LLC) du modèle OSI essentiellement

– souvent associé au “monde IP” (standards IETF) pour les couches supérieures

– standards ouverts conçus comme des éléments d'une architecture modulaire

=> « les couches basses du monde informatique » et d'Internet

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Standardisation: IEEE et 3GPP

3GPP ( “Third Generation Partnership Program” ) : – accord de collaboration entre organismes nationaux/régionaux de

standardisation des télécommunications

– objectif: des standards ouverts pour les réseaux de télécommunication mobile de 3ème génération (“3G”)

– 3GPP2 est un accord similaire pour une autre technologie 3G

• architecture de bout en bout (accès et coeur de réseau) d'un réseau WAN pour les opérateurs télécom

• toutes les couches protocolaires (de la couche physique aux architectures applicatives)– d'un réseau centré « voix » vers un réseau « IP et services »

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Plan


• le Wi-Fi

• le Wi-Fi mesh

• le WiMAX

• la 3G

• Conclusion

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Wi-Fi: introduction

Qu'est-ce que le Wi-Fi ? • 802.11 désigne un ensemble de standards dans domaine des LAN

radio, et le groupe de travail de l'IEEE qui les développe– ex: 802.11b, 802.11a, 802.11i, etc.

• « Wi-Fi » désigne des produits respectant les standards IEEE 802.11, et certifiés comme tels par la « Wi-Fi alliance »– garantir l'interopérabilité des produits

– ex: « Wi-Fi certified for 802.11a », « WPA enterprise », ...

Autres approches pour le LAN radio:– HiperLAN, HiperLAN2: standards ETSI ; sont-ils utilisés ?

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Wi-Fi: les standards

La spécification originale: 802.11 dite « 802.11 legacy (1997) • définit les couches PHY et MAC => un « ethernet radio »

• bande de fréquence non licensée des 2.4 Ghz (ISM)

• plusieurs canaux de fréquence, avec recouvrement partiel (selon la PHY)

• débit maximal théorique de 2 Mbps, débit réel inférieur– coordination « coopérative » entre les équipements (DCF), donc risque de

monopolisation du medium– DCF: Distributed Coordination Function

– accès au medium CSMA/CA, donc collisions– CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

– trafic de contrôle (ACK, RTS/CTS optionnel)

– chaque client adapte son débit en fonction de la qualité du signal radio

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La spécification originale: 802.11 dit « 802.11 legacy (1997) • deux types d'architecture

– mode « infrastructure » (BSS) : cellules point-à-multipoint autour d'une station de base (AP) et de ses clients (STA); notion de réseau étendu de cellules (ESS) connectées par une dorsale (DS)

– mode dit « ad-hoc » (IBSS): communication directe entre au moins 2 clients; prévoit uniquement des communications directes entre clients

• prise en compte de la mobilité des clients:– mobilité intra-cellule (vitesse max du client: piétons ?)

– mobilité entre cellules (« reassociation ») en mode infrastructure– pas de mention de la durée du handover (ordre de grandeur 100-1000 ms)

– complété par 802.11f («inter access point protocol »)

• WEP n'est pas de mécanisme de sécurité efficace

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Les évolutions de la couche physique:• 802.11b (1999):

– bande des 2.4GHz

– jusqu'à 14 canaux avec recouvrement partiel (selon la règlementation)

– débit théorique 11 Mbps (~6Mbps en pratique)

– portée 10-100 m

• 802.11g (2003):– bande des 2.4 Ghz

– jusqu'à 14 canaux avec recouvrement partiel (selon la règlementation)

– débit théorique 54 Mbps (~25 Mbps en pratique)

– compatibilité ascendante avec 802.11b (impact sur la performance dans une cellule mixte)

– portée 10-100m

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Les évolutions de la couche physique:• 802.11a (1999) :

– bande des 5 Ghz

– jusqu'à 12 canaux sans recouvrement (selon la réglementation)

– débit théorique 54 Mbps (~25Mbps en pratique)

– portée 10-100 m

Nombreuses extensions constructeur à 802.11g dites « g+ »:– non standardisées, non interopérables

– surtout utilisées par le grand public

– ex: Atheros « Super G »; LinkSys « SpeedBooster » ; US Robotics « MAXg »

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Les évolutions de la couche physique:• 802.11n (pré-draft, prévu 04/2008)

– bande des 2.4 Ghz et des 5 GHz

– utilisation de « MIMO » (technologie à antennes multiples)

– objectif: débit effectif >100 Mbps

– portée améliorée par rapport à 802.11a et 802.11g ?

Nombreux produits dits « pré-n » ou « Wi-Fi MIMO » apparus en 2006:– le problème: retards dans l'élaboration du standard 802.11n

– non standardisés; quelle interopérabilité ? quelle garantie d'upgrade 802.11n ?

– la Wi-Fi alliance prévoit une certification « pré-standard 802.11n » pour T2 2007

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Wi-Fi: les standards, sécurité

(L'absence de) sécurité à l'origine dans les réseaux 802.11:– WEP; réseaux ouverts; contrôle d'accès par adresse Ethernet; portails

captifs/capteurs

802.11i (07/2004) : sécurisation des réseaux 802.11– contrôle d'accès (par équipement) 802.1X

– authentification du client (utilisateur ou machine) par EAP ou par clef partagée (PSK)

– chiffrement TKIP ou AES-CCMP

– contrôle d'intégrité des trames MIC

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Wi-Fi: les standards, sécurité

WPA: une certification de la Wi-Fi alliance– « Wi-Fi Protected Access »

– basée sur un draft de 802.11i

– deux profils: « WPA enterprise » (EAP) et « WPA personal » (PSK)

WPA2: une certification de la Wi-Fi alliance– implémente tous les éléments obligatoires de 802.11i

– deux profils: « WPA2 enterprise » (EAP) et « WPA2 personal » (PSK)

Adoption de WPA/WPA2 ?– 04/2005: Windows XP SP2 propose un update pour le support WPA2

– 03/2006: WPA2 devient obligatoire pour les nouvelles certifications Wi-Fi

802.11w (draft, prévu 07/2008):– protection des trames de management 802.11

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Wi-Fi: les standards, QoS

Le standard initial laisse ouverte la question de la QoS => pas adapté pour du trafic voix ou voix mobile:

– gestion des ressources de la cellule ?

– durée de la transition entre cellules ?

– vitesse de déplacement des équipements ?

– consommation électrique des équipements ?

Recours à des solutions non-standardisées:– SpectraLink, Vocera, ...

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802.11e (11/2005): qualité de service dans une cellule• gestion des ressources de la cellule par 2 mécanismes

– mécanisme EDCA:– définit 4 priorités de trafic (voix, vidéo, best-effort, background)

– algorithme probabiliste, pondéré par la priorité pour l'accès au medium

– le contrôle de l'accès reste distribué

– mécanisme HCCA: – contrôle centralisé des ressources par la station de base; réservation de

ressource (bidirectionnelle) par les clients

– la cellule fonctionne une partie du temps en HCCA (CFP), une partie en EDCA (CP)

– bénéficier de 802.11e: support dans la base, le client et l'application– support des cellules hybrides ( mélange d'équipement 802.11e et pré-802.11e)

• gestion améliorée du « power save »

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WMM (ou WME): une certification de la Wi-Fi alliance– « Wi-Fi multimedia »

– basée sur un draft 802.11e

– le mécanisme EDCA est obligatoire, pas le HCCA

WMM power save: une certification de la Wi-Fi alliance– basée sur 802.11e

– porte uniquement sur les fonctions de gestion de l'énergie

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Wi-Fi: autres standards

(Quelques) autres standards:• mobilité des clients:

– 802.11r (draft, prévu 10/2007): transition (handover) rapide entre points d'accès d'un même réseau (ESS) 802.11

– objectif: permettre la voix mobile sur Wi-Fi

– pas de dégradation de la sécurité; « make before break »

– 802.11p (draft, prévu 07/2008): prise en compte des véhicules jusqu'à 200km/h

– objectif: besoins du « Département des Transports » des USA

– bande de fréquence des 5.8 Ghz

– temps de transmission des données courts (< 50 ms)

– 802.11u (pré-draft, prévu 07/2008): interopérabilité avec les réseaux non-802.11 (dont les réseaux 3G)

– modifications de 802.11 pour le support des handovers 802.21

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Wi-Fi: autres standards

(Quelques) autres standards:• administration des équipements:

– groupe de travail CAPWAP de l'IETF– RFC4565 (07/2006) « Evaluation of Candidate Control and Provisioning of

Wireless Access Points (CAPWAP) Protocols »

– recommande d'utiliser LWAPP (draft IETF datant de 2005) comme base du futur protocole d'administration des bornes

– 802.11v (pré-draft, prévu 01/2009) : administration des bornes– complémentaire ou concurrent de CAPWAP ?

– 802.11k (draft, prévu 07/2007) : mesure des ressources radio– améliorer la répartition de la charge entre les bornes d'un réseau

– 802.11.2 (pré-draft, prévu 04/2009) : métriques et méthodes de test des performances d'équipements 802.11

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Wi-Fi: les produits

(Tentative de) classement des équipements en catégories:• borne Wi-Fi grand public (ex: D-Link, Linksys, Netgear, ...)

• borne Wi-Fi professionnelle « lourde » / traditionnelle

• Wi-Fi professionnel centralisé: controleur/switch et « bornes légères » (ex: Cisco ex-Airespace, Symbol, Aruba, Trapeze, ... )

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Wi-Fi: les produits

Pistes d'évolution des produits:– Wi-Fi pour environnement dense: équipements multi-bornes, antennes

directionnelles (ex: Xirrus, ... )

– 05/2006: présentation marketing Symbol sur la « Wi-NG architecture » à venir; passage de la notion de « switching Wi-Fi » à « unified RF switching» intégrant Wi-Fi, RFID, VoWLAN, mesh, WiMAX

– échec commercial des premières offres «unified switching» d'entreprise (intégration de la commutation filaire et sans-fil)

– grand public: intégration aux offres «triple/quadruple play» ?

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Wi-Fi: le marché

Très large offre de produits, clients et points d'accès: – plus de 3000 équipements certifiés par la Wi-Fi alliance

Faible coût des équipements: – 20-50€ : carte cliente Wi-Fi ou chipset interne pour un portable

– 50-150€ : station de base Wi-Fi grand public

– 200-500€ : station de base Wi-Fi d'entreprise

Base installée de matériels importante:– 25 M de bornes Wi-Fi vendues en 2005

– > 90% des 70 M de PC portables vendus en 2006 seront équipés en Wi-Fi

– 460 M de nouveaux clients PC/handsets Wi-Fi d'ici 2010 (source In-Stat)

– 3,6% (en nombre de ventes) d'équipements pré-n prévus en 2006

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Wi-Fi: le marché

Marché équipements Wi-Fi professionnels (source Synergy): • 1.05 G€/an sur T1 2006

• +13% sur 1 an ; prévision: 2.3 G€/an en 2009

• principaux acteurs: Cisco (58%), Symbol (10%), Aruba (6%)

• solution Wi-Fi centralisées: 35% du marché (30% en T4 2005)

Marché équipements Wi-Fi grand public: • 1.7 G€/an sur T1 2006

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Wi-Fi: le marché

source Webopedia

bornes légères avec cont-roleur central

bornes intelligentes, centralisation partielle

bornes indépendantes, pas de centralisation

réseau dorsal maillé

réseau ad-hoc / machine à machine

autre

0%5%

10%15%20%25%30%35%40%45%50%55%60%

Architecture Wi-Fi: préférences des entreprises

2005

2006

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Wi-Fi: les réseaux

Objectif: un accès Wi-Fi au delà de «mon LAN», «mon domicile».

Développement des hotspots et de la mise en réseau des points d'accès:

– hotspots commerciaux opérés (ex: T-Mobile, BTOpenzone, ... )

– réseaux coopératifs commerciaux ou non (ex: FON, OzoneParis, eduroam/ARREDU, ... )

Base installée de réseaux importante et en croissance: – ex: réseau Orange, accès à ~34k hotspots; réseau FON accès à ~80k

bornes; FreeBox HD ~300k bornes

– >100k hotspots commerciaux en 2005; >200k en 2009 (source In-Stat)

– en 2007: 530k hotspots aux USA, 800k hotspots en Europe, >1000k hotspots en Asie (source Wi-Fi alliance)

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Plan


• le Wi-Fi

• le Wi-Fi mesh

• le WiMAX

• la 3G

• Conclusion

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Wi-Fi mesh: présentation

Principe du « Wi-Fi mesh » (réseau maillé Wi-Fi) :• côté client: un réseau d'accès Wi-Fi « normal » en mode

infrastructure

• côté dorsale : un réseau maillé (mesh) utilisant la technologie Wi-Fi– infrastructure de distribution généralement de niveau 2

– certains noeuds fournissent une connexion vers le réseau de collecte

– enjeu: configuration « efficace » de ce maillage

• les 2 fonctions (accès et dorsale) sont assurées soit par le même équipement, soit par 2 équipements distincts

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Avantages du Wi-Fi mesh :• nécessite peu de câblage réseau (quelques accès au réseau de

collecte s'il est filaire)

• extension de la portée du Wi-Fi (se positionne en MAN)

• auto-configuration du réseau (ajout de noeud, déplacement de noeud)

• auto-réparation du réseau (panne d'un noeud, rupture d'un lien)

Difficultés liées au Wi-Fi mesh: • performance : sous-provision de la dorsale (beaucoup de clients sur

peu d'uplinks); détérioration des communications avec l'augmentation du nombre de relais (délai); encombrement des fréquences radio utilisées; ...

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Wi-Fi mesh: les standards

WDS («wireless distribution system»):– fait partie du standard 802.11

– format de trame pour échanger les données des clients entre bornes (AP)

– donc permet d'utiliser une dorsale (DS) radio multi-hop pour une borne

– mais ne spécifie pas la configuration (topologie ...) et le fonctionnement du WDS

Les solutions Wi-Fi mesh actuelles ne sont pas standardisées, ni interopérables

– même si elles s'appuient souvent sur WDS

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Wi-Fi mesh: les standards

802.11s (pré-draft, prévu 07/2008): • Wi-Fi mesh au dessus de WDS

• dans un réseau étendu 802.11 (ESS)

• sécurisation 802.11i

• prise en compte des bornes avec des radios multiples

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Wi-Fi mesh : produits, marché

Environ ~20 constructeurs de matériels de « Wi-Fi mesh »:– les startups (Strix, Tropos, BelAir, ...) et les poids-lourds du domaine

(Cisco, Motorola, ... )

Coût des produits: qq x 100 € à qq x 1 k€ par borne– ex: Tropos évalue à 1,6 m€ un déploiement de 600 noeuds tout compris

Beaucoup de raisonnements en densité – Mbps/km²; utilisateurs/km²; communications voix/km², ...

– ex: Tropos, ordre de grandeur moyen: 12 bornes/km²

Marché des équipements « Wi-Fi mesh » (source InStat):– 40 m€ en 2005; 770 m€ en 2009

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Wi-Fi mesh : déploiements

A ce jour, surtout déployé en « muni-mesh » ( réseau maillés municipaux ) aux USA:

• apparu avec l'adoption rapide du Wi-Fi

• quel modèle économique pour les “muni-mesh” ?– « service public » gratuit payé par la municipalité ? exploitant se payant par la

publicité ? exploitant se payant par les abonnements ? bas débit gratuit et haut-débit payant ?

• ex: 02/2006, la ville de Corpus Christi a deployé un mesh Tropos– 300 bornes sur 60km², envisage de passer à 1600 bornes sur 380 km²

– une des premières applications: relevé automatique de 100k compteurs d'eau et de gaz

Vise aussi le marché des gros campus (hopitaux, universités, entreprises).

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Wi-Fi mesh : le futur

Tendance: utilisation de plusieurs interfaces radio par noeud:– séparer réseau d'accès, lien dorsal entrant, lien dorsal sortant

– objectifs: performance

Le principe du « mesh » peut s'appliquer à d'autres technologies: • vers un « wireless mesh network » multi-technologies ?

– objectifs: portée, performance, unification des réseaux

• exemples d'annonces autour du support de WiMAX dans les mesh:– 06/2006: BelAir fournit un noeud de Wi-Fi mesh avec 6 radios; dorsale Wi-

Fi et WiMAX ; accès clients Wi-Fi et picocells GSM

– 03/2006: stratégie WiMAX de Tropos en 3 phases:– phase 1: dorsale WiMAX point-à-multipoint (réseau de collecte du mesh)

– phase 2: intégration de WiMAX dans le maillage (dorsale maillée)

– phase 3: intégration de WiMAX dans le réseau d'accès

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Wi-Fi mesh : le futur

Autre piste à long terme: participation des terminaux clients au réseau maillé

• évolution vers un réseau hybride « ad-hoc »: certains clients participent à l'infrastructure

• pour des raisons de qualité et de sécurité, cela s'applique plus facilement à des réseaux privés que publics

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Plan


• le Wi-Fi

• le Wi-Fi mesh

• le WiMAX

• la 3G

• Conclusion

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WiMAX: introduction

WiMAX: « Worldwide Interoperability for Microwave Access »

“WiMAX” désigne dans le langage courant un ensemble de standards et de techniques du monde des MAN radio

• objectif initial: accès radio « last mile » large bande– alternative aux accès câble ou DSL chez l'abonné

• utilisable aussi en dorsale (ex: derrière un hotspot Wi-Fi; derrière un accès à un réseau cellulaire)

• et pour des clients mobiles.

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WiMAX: standards 802.16

Les fondations du WiMAX ont été standardisées par le groupe de travail 802.16 de l'IEEE (groupe « broadband wireless access »):

– “WirelessMAN®” est un trademarked name de l'IEEE pour désigner les standards IEEE 802.16

Deux spécifications principales:• 10/2004: le standard IEEE 802.16-2004 (parfois appelé 802.16d) :

support des clients fixes,– remplace les spécifications antérieures 802.16-2001 (initiale); 802.16a

(extension à la bande 2 à 11GHz); 802.16c (définition de profils plus spécifiques)

• 02/2006: l'amendement IEEE 802.16e-2005 (souvent appelé 802.16e) : support des clients mobiles et fixes.

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Le standard 802.16-2004:• définit les couches PHY et MAC => fournit un service de niveau 2, (a

priori) une infrastructure pour un réseau IP.– les adresses MAC sont des adresses Ethernet 48 bits

• est très générique pour s'adapter au contexte règlementaire et technique:– ex: couche PHY (large plage de fréquences utilisables (2 GHz à 66 Ghz);

largeur variable des canaux; séparation uplink/downlink en TDD (division temporelle) ou FDD (division en fréquence) ; single carrier ou OFDM ou OFDMA ; etc.)

• fonctionne sans vue directe en dessous de 11GHz (NLOS, « non line of sight »)

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Le standard 802.16-2004:• est architecturé en cellules autour d'une station de base (BS) et de

ses clients (SS)

• fonctionne en point-à-multipoint pour un secteur d'antenne d'une station de base:– donc la ressource réseau est partagée,

– autre mode (optionnel): maillage (mesh) des clients d'une cellule (connecter des utilisateurs finaux ou concurrencer le « Wi-Fi mesh » ? )

• ne prévoit pas de handover entre cellules– conçu pour les clients fixes

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Le standard 802.16-2004:• au niveau QoS:

– maintien d'un lien radio de qualité (le « ranging » adapte la puissance d'émission du client et peut refuser la connexion)

– allocation de ressources à la connection du client; mécanisme de requête/allocation de bande passante par flux (notion de niveau MAC); négociation de paramètres de QoS (débit minimum garanti, débit moyen, latence maximale, gigue, ... )

– ressources renégociables dynamiquement entre la station de base et client

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Le standard 802.16-2004:• au niveau sécurité:

– intègre des mécanismes, mais mise en oeuvre optionnelle

– authentification du client (certificat X.509 par client), mais pas d'authentification mutuelle

– distribution sécurisée de clefs de la base vers le client (protocole PKM, fait partie de la spécification); rafraichissement des clefs

– chiffrement du trafic en DES-CBC ou (optionnel) AES-CCM

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L'amendement 802.16e:• conserve les capacités du 802.16-2004

• ajoute le support de la mobilité (bandes licensées < 6GHz) :– conçu pour supporter des clients se déplaçant à “vehicular speed”

– objectif de conception: jusqu'à 120 km/h à terme (mais tout produit 802.16e ne le supporte pas !)

– mécanisme de handover, avec objectif de faible latence (support de la voix mobile)

• au niveau sécurité:– support de l'authentification mutuelle du client et de la station de base

– support de l'authentification EAP (EAP-SIM, EAP-TLS, EAP-MSCHAPv2)

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(pré-draft, 2008?): 802.16j, introduction de relais (MMR) optionnels entre la station de base et le client, pour améliorer la couverture à faible coût (environnements denses ou difficiles)

Autres amendements 802.16:– 12/2005: 802.16f, définition d'une MIB pour 802.16-2004 (ex: management

SNMP)

– (draft, 2007?): 802.16g, procédures de gestion des équipements 802.16, pour faciliter l'administration de réseau multi-constructeurs

– (pré-draft, 2008?): 802.16h, cohabitation dans les fréquences non licensées pour les équipements fixes

– (pré-draft, 2008?): 802.16i, extension des MIB 802.16f pour le support de 802.16e

– (pré-draft, 2008?): 802.16 k, amendement à 802.1D pour le support du bridging dans 802.16

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WiMAX: et HiperMAN

HiperMAN : standard de l'ETSI pour le MAN radio• développé en coopération avec IEEE 802.16 « using the basic MAC

of the 802.16-2001 standard »

• « HIPERMAN standard and a subset of the IEEE 802.16a-2003 standard will interoperate seamlessly » (source ETSI)

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WiMAX: le WiMAX Forum

WiMAX Forum: consortium industriel, plus de 350 membres, promouvoir l'adoption des réseaux radio MAN haut débit

– analogie avec la “Wi-Fi alliance” dans le monde du Wi-Fi

Premier objectif: créer un standard conforme à IEEE 802.16 et ETSI HiperMAN

• «WiMAX» se base sur 802.16-2004

• «mobile WiMAX» se base sur 802.16e

• faciliter l'interopérabilité des produits par des « System Profiles » plus ciblés– ex: 802.16-2004 + bande 3,4-3,6 Ghz + canal 3.5 / 7 Mhz + modulation

OFDM + ...

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WiMAX: le WiMAX Forum

Second objectif: délivrer des certifications aux produits qui passent les tests de conformité et d'interopérabilité

• 27 produits de 12 constructeurs certifiés WiMAX depuis 01/2006

• premiers produits « mobile WiMAX » prévus pour début 2007

C'est quoi un produit « WiMAX » ?• un équipement « WiMAX Forum certified », alors que « WiMAX

ready », « WiMAX Compliant » sont seulement des affirmations du constructeur

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WiMAX: quelques chiffres

Performances, ordre de grandeur (source WiMAX forum) :• WiMAX fixe: cellule de 3 à 10 km de rayon, débit global de ~40 Mbps

• WiMAX mobile: cellule de < 3 km de rayon, débit global de ~15 Mbps

Quelques marchés potentiels pour le WiMAX:• couverture des zones rurales non desservies par l'ADSL,

• couverture de zones urbaines denses, de zones touristiques; couverture temporaire (évenements, chantiers, secours)

• développement des infrastructures dans les pays BRIC (Brésil-Russie-Inde-Chine),

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Le marché de l'accès radio haut-débit (prévisions Maravedis, 09/2006):

– 110 m€ en 2006 pour le marché des équipements certifiés WiMAX– 4.7k stations de base en 2005 (source In-Stat)

– principaux constructeurs: Alvarion (22,6% du marché), Motorola Canopy, IP Wireless, ...

– 65% des opérateurs préfèrent attendre des produits certifiés « WiMAX mobile »

– en 2012: – 6 G€ en 2012 pour le marché des équipements WiMAX

– 67M d'abonnés WiMAX sur les 87M d'abonnés (très?) haut-débit radio

– 90% des nouveaux abonnés (très?) haut-débit radio seront en WiMAX

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Quelques annonces:• 04/2006: Intel annonce des cartes PCMCIA WiMAX mobile pour

2007 et l'intégration de WiMAX mobile dans la plateforme Centrino pour 2008

• 08/2006: Sprint Nextel annonce le déploiement d'un réseau 802.16e couvrant 100 millions de personnes aux USA d'ici 2008 (~3 G$) dit « 4G » et le développement de terminaux multimodes 3G-WiMAX

– partenariat avec Intel, Motorola, Samsung

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Actuellement, le marché se partage entre produits WiMAX et « pré-mobile-WiMAX ».

Ordre de grandeur de prix des équipements:• en 2006 une station de base coûte qq k€ à qq 10 k€

• en 2006 un terminal indoor/outdoor coûte ~200 € / ~ 300 € – 60 € en 2008 (source Maravedis)

• en 2007 une carte PCMCIA devrait coûter ~100 €

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WiMAX: licences BLR en France

07/2006: résultat de la procédure d'attribution de licences d'opérateurs BLR (boucle locale radio) en France:

• procédure conduite par l'ARCEP

• 2 licences attribuées par région– en plus de la licence nationale pré-existante de IFW (groupe Iliad/Free)

• organiser un marché viable et « fluide » ?– marché de détail (utilisateur final); marché de gros (opérateurs virtuels);

mise à disposition de fréquences, marché secondaire des fréquences (opérateurs)

• engagements de déploiement de 3500 stations pour 06/2008– dont couverture de zones blanches ADSL

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WiMAX: licences BLR en France

07/2006: résultat de la procédure d'attribution de licences d'opérateurs BLR (boucle locale radio) en France:

• les licences portent sur l'accès fixe et nomade (fixe le temps d'une communication, donc pas de handover !)– les accès mobiles feront l'objet d'actions ultérieures

• les licences portent sur des accès point-à-multipoint– 10% maximum des fréquences peuvent être utilisées pour les liaisons

d'infrastructure

• il s'agit de licences BLR et non WiMAX, mais tous les candidats retenus proposent des solutions WiMAX

• un duplex de 2 x 15 Mhz dans la bande des 3,4-3,6 Ghz pour chaque candidat retenu

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WiMAX: autres approches

Autres approches pour le MAN radio:• IEEE 802.20:

– objectif: un standard de MAN radio qui supporte la mobilité jusqu'à 250 km/h; un débit utilisateur maximum > 1Mbps et des débits constants; supporte un grand nombre d'utilisateurs; agisse dans les bandes licensées < 3,5 Ghz; utilise efficacement le spectre

– stade pré-draft, et moins en vue que le WiMAX mobile actuellement.

– 06/2006: activité du groupe temporairement suspendue (conflits internes)

• WiBRO: – solution Coréenne, assez proche du WiMAX mobile

– cellule de 1-5 km de rayon avec débit global 30-50 Mbps; handover < 150ms ; mobilité jusqu'à 60 km/h

– 06/2006: lancement d'un service commercial sur l'agglomération de Séoul; démarrage commercial modeste

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WiMAX: autres approches

Autres approches pour le MAN radio:• IEEE 802.22:

– WRAN, « Wireless Regional Area Networks »

– objectif: créer un standard pour des MAN radio fixes, point-à-multipoint opérant entre 54 et 862 MHz (bande VHF/UHF)

– utiliser plus efficacement cette partie du spectre

– sans créer d'interférence avec les télévisions hertziennes analogiques et la TNT qui utilisent cette bande

– stade actuel: pré-draft

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Plan


• le Wi-Fi

• le Wi-Fi mesh

• le WiMAX

• la 3G

• Conclusion

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3G: introduction

« 3G »: téléphonie mobile de troisième génération

Le 3GPP spécifie un système « 3G »:– « coloration » Européenne

– ce système est souvent appelé UMTS (ou 3GSM)– « Universal Mobile Telecommunications System »

– comme une évolution par étape des réseaux « 2G » de technologie GSM

– dans le cadre des standards IMT-2000 de l'ITU

Le 3GPP2 spécifie un autre système « 3G »:– « coloration » Américaine

– souvent appelé CDMA2000

– évolution des réseaux « 2G » de technologie CDMA (ou: cdmaOne; IS-95)

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3G: UMTS

L'accès radio dans UMTS:• W-CDMA: standard d'accès radio de UMTS

– « Wideband - Code Division Multiple Access »

– duplex entre uplink/downlink FDD (en fréquence) ou TDD (temporel)

– multiplexage des clients en CDMA (étalement de spectre avant multiplexage)

– ne pas confondre « CDMA » et la spécification 2G dite « CDMA »

• utilise les plages de fréquences prévues par IMT-2000– 1710-1885 MHz, 1885-2025 MHz, 2110-2200 MHz et 2500-2690 MHz

– licences UMTS en France: 2x15 MHz FDD + 5 MHz TDD par licence

• débit maximum théorique 1920 kbps; les opérateurs proposent généralement des abonnements à 384 kbps maximum

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3G: UMTS

L'accès radio dans UMTS:• estimer la capacité et la taille réelle d'une cellule est complexe !

– en général les abaques des opérateurs tablent sur des connexions « données » peu actives en terme de débit

– dépend aussi du nombre de “secteurs” d'antenne dans une cellule

– la puissance du terminal utilisateur (125 mW) limite le rayon maximum et le débit montant

– la puissance de la station de base (20-40 W) limite le débit total descendant maximum

• ordre de grandeur de taille d'une cellule (sourc UMTSworld):– < 300 m en ville (limite en capacité)

– ~ qqs x 1 km en zone rurale (limite en rayon)

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3G: UMTSExemple: estimation pour du trafic bidirectionnel en environnement urbain, cellule 3 secteurs, avec prise en compte des batiments, des déplacements en voiture ... (source University of Illinois/Harvard).

=> ~1 a 2 Mbps full-duplex par cellule à ~ qqs x 100 m en ville

0.5 1.0 1.5 2.00

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Estimation de la capacité d'une cellule UMTSen environnement urbain, mode circuit à 384 kbps

uplink

downlink

capacité (Erlangs)

rayo

n de

la c

ellu

le (

mèt

res)

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3G: UMTS

source University of Illinois/Harvard

2 4 6 8 100

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

Estimation de la capacité d'une cellule UMTSen environnement urbain,mode circuit à 144 kbps

uplink

downlink

capacité (Erlangs)

rayo

n de

la c

ellu

le (

mèt

res)

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3G: UMTS

L'accès radio dans UMTS:• support de la mobilité:

– handoff entre cellules à « vehicular speed » (~trains rapide ?) avec performances dégradées

– « soft handoff » quand les 2 cellules utilisent la même fréquence ( saut de cellule « make before break » ): plus rapide

• négociation des paramètres de QoS pour chaque appel– un « appel » est passé pour chaque « bearer » ( ~ flux voix, données, ...)

– 4 classes de QoS, dont une classe « voix »

– Qos de bout en bout de la communication !

• sécurité:– fonctions héritées du GSM: authentification de l'utilisateur (par SIM);

chiffrement des communications sur l'interface radio

– support de l'authentification mutuelle client-réseau; protection de l'identité de l'utilisateur contre les écoutes radio

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3G: UMTS

Les évolutions de l'accès radio dans UMTS:• HSDPA: «High Speed Downlink Packet Access »

– on parle de « 3.5G »

– limites théoriques pour la première version de HSDPA:– downlink: ~14,4 Mbps par cellule, ~3,6 Mbps par client

– uplink: ~2 Mbps par cellule et 384 kbps par client généralement (inchangé)

– en pratique on observe 500-1100 kbps max downlink par client (source 3G Americas)

– commence à être déployé en T2 2006

• HSUPA: «High Speed Uplink Packet Access » (ou « E-DCH »)– on parle de «3.75G»

– limite théorique: 5,76 Mbps uplink par client (et par cellule ?)

– en pratique ~1100 kbps max uplink par client (source 3G Americas)

– premiers déploiements prévus en 2007

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3G: les spécifications UMTS

Spécifications 3GPP: les “releases”, des générations incrémentales

Les “releases” UMTS:• R99 (UMTS initial):

– remarque: comprend un service de localisation des clients (LCS) par GPS ou triangulation – une opportunité ?

• Rel-4 (en 2001): – coeur de réseau IP (avec encapsulation du trafic 2G)

– MMS (multimedia messaging)

• Rel-5 (en 2003) : déploiement en cours– HSDPA

– IMS (IP Multimedia Subsytem), architecture générique pour les services multimédia; utilise SIP comme protocole de signalisation

– transport IPv6/IPv4 sur le réseau radio d'accès (réseau privé, le trafic IP utilisateur est encapsulé)

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3G: les spécifications UMTS

Les «releases» UMTS:• Rel-6 (en 2005): déploiement à venir

– HSUPA

– GAN (ex-UMA): utilisation de réseau Wi-Fi (ou autre) comme réseau d'accès, avec un tunnel jusqu'au réseau 3G

– extensions de IMS (ex: support de conférences indépendantes du médium); support d'une notion de “présence” de l'usager

• Rel-7 : (2007/2008) – étude prospective sur les évolutions à venir ( “3G-LTE”, Long Term

Evolution)

– poursuite intégration entre réseaux 3G et Wi-Fi (ex: support de la QoS ...)

– support des antennes MIMO

– travail de compatibilité arrière pour le fonctionnement à très grande vitesse (trains à 350 km/h) des évolutions de la 3G

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3G: après la 3G, la 4G ?

Que désigne le terme « 4G » ou «beyond 3G » ? encore très flou ...– les évolutions « 3G-LTE » (spécifications sur 2008-2012) ?

– les évolutions au delà ? lesquelles ?

Quelques ingrédients probables de la 4G:– réseaux radio d'accès haut débit (100 Mbps/cellule?) combinant

différentes technologies (dont WiMAX ?) (PAN?)-LAN-MAN-WAN

– efficacité spectrale dans le réseau radio d'accès (> 8 bit/s/Hz ?)– utilisation de OFDM, MIMO, ... ?

– un service « réseau radio ambiant » unifié– handover transparent entre réseaux hétérogènes

– adaptation à l'environnement radio (SDR, «software defined radio»)

– un réseau entièrement IP(v6?)

– (?) IMS comme architecture de service universelle radio/filaire

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WiMAX et Wi-Fi: des réseaux d'accès parmi d'autres du réseau 4G (source

Deutsche Bank research)

3G: une vision plutôt « 3GPP » du futur ?

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3G: une vision plutôt « IEEE » du futur ?

802.21: interoperabilité et handover entre réseaux hétérogenes (802.11, 802.16 et cellulaires 3G)

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3G: autres spécifications

Il existe d'autres spécifications 3G que UMTS: • CDMA2000:

– CDMA2000 1x : souvent vu comme de la « 2.5G »– 144 kbps théorique maximum par client

– CDMA2000 1xEV-DO : – ~ 2.5 Mbps downlink et ~154 kbps uplink théorique, maximum par client et

par cellule (Rev 0)

– ~3.1 Mbps downlink et ~1.8 Mbps uplink théorique maximum par client et par cellule (Rev A); déja déployé au Japon

– CDMA2000 1xEV-DV : a-t-il un avenir ?– actuellement Verizon utilise EV-DO

– Sprint passera de EV-DO à WiMAX

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3G: autres spécifications

Il existe d'autres spécifications 3G que UMTS: • TD-SCDMA:

– standard d'accès radio 3G Chinois, soutenu par le gouvernement Chinois,

– l'attribution des licences 3G en Chine (1 TD-SCDMA, 1 W-CDMA, 1 CDMA2000) a été retardée à fin 2006 ou 2007, pour permettre de finaliser les produits TD-SCDMA ...

– ... pour un engagement de service 3G opérationnels aux JO 2008 !

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3G: quelques chiffres

Les infrastructures cellulaires 2G/3G (source InStat):– >2 M de stations de base 2G/3G dans le monde, dont > 300k stations W-

CDMA

– 2004/2005: pic d'investissement dans les infrastructures 3G

– 2006: début déploiement HSDPA sur réseaux UMTS (mise à jour logicielle)

– 2007: début déploiement HSUPA sur réseaux UMTS

Les investissements dans l'infrastructure 3G:– investissement SFR dans la 3G sur la période 2001-2011: 3G€

d'infrastructure + 619 M€ de licence 3G (source ZDnet)

– en 2000: le montant total des enchères pour les licences 3G a été de 46 G€ en Allemagne et 35 G€ au UK

– en 2006, certains opérateurs sont en procès avec ces gouvernements pour récupérer tout ou partie du coût de la licence 3G

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Les abonnés à la 3G (source InStat):– 2006: 100 M d'abonnés 3G (sur 2.3 G abonnés au téléphone mobile)

– 47 M d'abonnés 3G fin 2005, le nombre a plus que doublé en 2006

– 2010: 816 M d'abonnés 3G (sur 3.6 G abonnés au téléphone mobile)

L'adoption des services 3G:– revenu < 1€/mois/abonné (hors voix et SMS) aux USA et en Europe

(source Maravedis)– 2005: les SMS représentent encore 85% du revenu hors-voix (source Deutsche

Bank research)

– 3,8% du revenu de Vodafone pour les connexions data haut-débit au T1 2006 (source International Herald Tribune)

– 5% des salariés US utilisent les services 3G dans le cadre professionnel (source InStat)

– parmi eux, seuls 10% sont aussi des utilisateurs du Wi-Fi

– 15 à 20% des salariés US prévoient d'utiliser les services 3G

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Le cas du Japon (source Deutsche Bank Research):– fin 2005, 47% des abonnés mondiaux à la 3G sont Japonais

– 02/2006: 51% de migration de la 2G vers la 3G au Japon (source analytica1st.com) contre 6% en Europe

– marché partagé entre les technologies CDMA2000 et UMTS (FOMA)

– le Japon représente 96% du marché mondial de téléchargement de musique sur mobile en 2005

– la visiophonie n'est pas la « killer app » de la 3G que l'on pensait

Le coût des équipement informatiques 3G:– carte PCMCIA pour PC: ~ 100 €

– modem interne 3G pour PC: ~ 200 €

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Plan


• le Wi-Fi

• le Wi-Fi mesh

• le WiMAX

• la 3G

• Conclusion

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Conclusion: projets de déploiement

source Webopedia

802.11 "legacy"

WiMAX fixe

WiMAX mobile

Wi-Fi mesh

802.11n

data 3G (EV-DO, UMTS, ...)

data convergée Wi-Fi+cellulaire

802.11a

802.11b

802.11g

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%

Utilisation des technologies de réseau radio par les entreprises

prévoit de l'utiliser

utilise la technologie

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Conclusion

technologie 3G

infrastructure réseau existante ~ 0.6 M cellules

nombre d'utilisateurs actuel ~100 M < 1 M (?) < 1 M (?)

1 ou 2 ordres de grandeur en moins (?)

Les réseaux d'accès radio: quelques ordres de grandeur empiriques

Wi-Fi WiMAX Wi-Fi mesh

~1 M hotspots; ~qqs x 10 M

points d'accès

~qqs x 10 k stations de

base

~qqs x 10k points d'accès

~qqs x 100 M

investissement consenti à ce jour pour l'infrastructure

~qq x 10 G€

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Conclusion

Quelques pistes pour les années à venir ? • plusieurs technologies complémentaires vont couvrir les

différents besoins d'accès réseau d'accès radio

• le LAN Wi-Fi et le WAN 3G sont déjà largement déployés et éprouvés, et vont continuer à se développer

• dans le MAN, il y a de la place pour le WiMAX et le (Wi-Fi) mesh mais ils devront démontrer un plus fonctionnel ou économique

• la dynamique du monde Internet (standards IEEE et IETF; VoIP; faible coût; ouverture “raw IP”; construction incrémentale / opportuniste ; ...) met une pression technologique et économique sur le monde des télécommunications

• le besoin d'intégration pour fournir aux clients des services unifiés, simples et de qualité: une opportunité pour les opérateurs télécoms ?

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Conclusion

On n'a (presque) pas prononcé le mot de « convergence » ...... mais c'était un fil conducteur sous jacent.

Avez vous des questions ?

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séminaire aristote, 19/10/2006 [email protected] · 1/91 [email protected]...

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