La fonction dite de "mobilité" permet à l’utilisateur en déplacement d’établir des connexions de bonne qualité à l’aide de son terminal portable préféré, où qu’il soit et au moment où il le souhaite. Ces connexions peuvent être de type vocal ou concerner des données. Pour assurer la meilleure qualité possible, la solution la plus adaptée doit-elle être fournie par le réseau (et en IMS, dans le cadre du NGN) ou par la terminaison d’accès équipée d’une femtocellule ? Le réseau de distribution de contenus (CDN) répondra t-il, par sa spécificité, ses performances et son prix de revient, à l’espoir exprimé par la clientèle mobile orientée vers le haut débit ?
I - Les contraintes imposées par la mobilité
La mobilité en communication, qu’il s’agisse du service vocal ou du services de données, séduit de plus en plus les professionnels et le grand public. Toutefois, les contraintes techniques sont plus fortes en mobilité et en liaison radioélectrique, qu’en connexions fixes et filaires. L’évolution des usages, autorisée par la technologie, augmente le niveau des contraintes lorsqu’il s’agit d’applications en haut débit (supérieures à 100 kbit/s), par exemple, dans le cas de consultations de sites d’information sur Internet, ou d’achat avec paiement en ligne, de transfert d’images fixes ou animées (télévision à haute définition, vidéo, webinars, visioconférence, etc.), de transactions de télépaiement, de téléchargements de logiciel, de jeux en ligne, etc. La grande distribution, les grands industriels, le commerce B2B et B2C, ont de plus en plus recours à des transferts de données rapides sur Internet pour la mise à jour de leurs logiciels d’antivirus, pour les "widgets" et logiciels téléchargeables (SaaS, software as a service), pour le catalogage, la documentation, les flux RSS, etc. Ces applications ne peuvent être développées sur des réseaux qui peuvent connaître des états de congestion. Elles nécessitent d’autre part une garantie de sécurité sur les transactions, des temps de latence très courts, et pour certaines d’entre elles, une transmission en "tunnel" sans erreur. Le déplacement de l’utilisateur astreint le terminal à changer de réseau d’accès et cette mobilité ajoute une contrainte supplémentaire aux paramètres évoqués ci-dessus. La variété des options techniques et la nécessité d’une protection sécuritaire rendent complexe et coûteuse la gestion de la mobilité, dont la charge financière incombe souvent aux entreprises.
II - La mobilité dans le réseau filaire
L’abonné qui doit s’absenter, renvoie sa ligne d’appel vers un automate qui prendra en charge la réponse ou bien retournera les appels sur un autre poste du réseau désigné au préalable. Le "renvoi d’appel" est pris en compte par le réseau général en fonction de sa technologie (autocommutateur de l’entreprise, commutateur de classe 5 du réseau, ou fonctions de réseau intelligent, etc.). Le service est taxé comme tout service disponible et si la connexion passe du statut de communication locale à celui d’appel à grande distance, le compteur sera incrémenté en conséquence en fonction de la distance et de la durée. Le numéro de l’abonné demandé peut être "conservé" malgré l’opération de transfert (portabilité des numéros fixes) grâce à un "serveur de portabilité".
Dans le cas des abonnés dits en ‘dégroupage partiel’, la bande de fréquences inférieures est dédiée au service vocal fourni par l’exploitant historique, la partie supérieure est acheminée chez un exploitant de la concurrence qui assure les services numériques à haut débit. Dans le cas du "dégroupage total", les deux bandes de fréquences vont à la concurrence et, en France, l’exploitant de la concurrence fournit un service VoIP qui ne nécessite pas de commutateurs classiques.
III - La mobilité dans les réseaux radios (DT N°07, 34, 35 et 36)
Dans ce cas, le terminal ou le portable de l’abonné est lui-même mobile. Pour que la connexion soit établie, il faut que le réseau de téléphonie mobile parvienne à trouver rapidement dans quelle cellule se trouve l’abonné demandé. Or, cette information est accessible dans la base de données des abonnés et dans le répertoire des abonnés qui ont récemment utilisé le réseau. Au pis aller, si l’appel n’est pas fructueux, l’abonné mobile peut s’être déplacé pour aller dans une des cellules voisines. Comme le délai imposé est court, si la connexion ne peut être établie, le demandeur a la possibilité de laisser un message dans la boîte vocale de son correspondant. Dès que le réseau décèle un mouvement de l’abonné demandé (présence silencieuse – terminal sous tension - ou tentative d’appel de sa part), un avis d’appel lui est transmis. Le réseau "piste" les terminaux de ses clients au cours de leurs déplacements.
Espaces de mobilité et débits disponibles
Chaque cellule du réseau mobile peut écouler un trafic dont la valeur est limitée par la largeur de bande des fréquences qui lui est allouées et par le nombre d’appels simultanés que la cellule peut écouler. Pour garder une qualité de service d’un niveau satisfaisant, le point d’accès radioélectrique au réseau se base sur le niveau de puissance reçu du terminal du terminal mobile. Un échange de signaux entre la station de base et le terminal règle le niveau de puissance du terminal portable de façon optimale. Si le nombre d’utilisateurs dans une cellule est faible, le point d’accès acceptera les appels des terminaux plus éloignés qu’à l’accoutumée. Si, au contraire, les utilisateurs deviennent très nombreux dans sa cellule, le point d’accès refusera progressivement les communications des utilisateurs les plus éloignés. De sorte que l’on peut dire que la portée maximum d’un point d’accès radioélectrique "respire" en fonction du nombre de clients actifs dans sa zone. La portée d’une antenne dépend du nombre d’utilisateurs sur la zone couverte. Plus ces derniers sont nombreux, moins la portée est importante, le maximum pouvant se situer entre 5 et 10 kilomètres. Plus un utilisateur est éloigné de l’antenne, plus le débit offert est faible. Des cellules contiguës peuvent s’échanger ainsi des clients en fonction de leurs trafics respectifs. Il va de soi qu’en mobilité, des coupures sont gênantes, mais elles constituent un moindre mal en comparaison à des connexions inaudibles et payantes qui seraient maintenues en exploitation.
On remarque que la téléphonie mobile est assurée avec l’aide de deux technologies différentes, mais heureusement compatibles, y compris pour ce qui concerne leur signalisation. Le GSM assure la transmission des signaux de parole sur la base de la commutation de circuits. Les autres systèmes radioélectriques (DECT, UMTS 3G, WiMAX, Wi-Fi et 4G) utilisent des systèmes de codage très différents (et quelques fois variables) et ils assurent le transport des signaux vocaux numériques et des données sur le principe de la technologie de paquets en IP. Certains terminaux sont "bimodes" ou "multimodes" et peuvent offrir au choix des connexions sur des réseaux différents (Wi-Fi et 3G, par exemple ou Wi-Fi et 4G).
IV – La mobilité entre les réseaux filaire et mobile
Lorsqu’un abonné du réseau filaire appelle un abonné du réseau mobile, le cas de figure est semblable à celui du point ci-dessus. A priori, l’abonné demandé est censé se trouver dans la cellule où il réside et l’ensemble de signalisation du réseau fixe va chercher le terminal mobile dans cette zone, ou dans les zones voisines ou bien dans l’une des zones où a été composé le dernier numéro d’appel composé.
Réciproquement, l’abonné du réseau de téléphonie mobile trouve plus facilement son correspondant du réseau filaire, car la position géographique de celui-ci est indiquée par ce numéro, à moins qu’il ne s’agisse d’un abonné en "dégroupage total". Dans ce dernier cas, une recherche est effectuée en liaison avec la base de données du réseau (Home Location Registrer).
V – La mobilité par les "Femtocellules"
L’industrie propose aux exploitants de réseau de réaliser, dans la partie terminale du réseau d’accès, une certaine "convergence" entre réseau fixe et réseau mobile par un relais radioélectrique à faible puissance et à faible portée, situé au domicile de l’usager. L’avantage théorique visé consiste à permettre aux utilisateurs de portables téléphoniques de continuer à utiliser le même terminal à l’extérieur et à l’intérieur de leur domicile, avec des avantages sur le plan de la facturation des mobiles. L’équipement radioélectrique assurant la couverture au sein du domicile gère une cellule de petite dimension (d’où le nom de Femtocellule) et se trouve connecté à la terminaison de ligne à haut débit numérique de réseau d’accès (en ADSL, en Wi-Fi, ou en WiMAX). Comme ce sont les dernières centaines de mètres qui sont souvent les plus difficiles à assumer sur le plan de la connectivité et de la QoS, (surtout à l’intérieur du domicile où les réflexions et les parasites sont nombreux), la proposition d’utiliser la Femtocellules comme un relais radio terminal a été jugée tout à fait opportune.
L’idée est venue ensuite d’intégrer la technologie des Femtocellules dans les passerelles résidentielles et dans les adaptateurs télévisuels (Set-Top Box). Ainsi pourrait se réaliser la convergence à haut débit entre réseau fixe et réseau mobile, au sein des réseaux résidentiels (PAN). Mais les économies et la qualité de service attendues de la mise en œuvre de la technologie des Femtocellules doivent tenir compte des difficultés de la normalisation et de la variété des équipements actuellement en exploitation dans l’environnement urbain ou industriel. La parole devrait avoir la priorité dans l’écoulement du trafic (ce que IP ne permet pas actuellement) si l’on veut bénéficier d’une bonne qualité de service.
Le point essentiel de cette technologie réside dans la fonction de "passerelle" et de gestion de trafic IP (compression, signalisation, adaptation au réseaux GSM, EDGE, GPRS, UMTS, satellite VSAT, etc.) qui est assurée par la micro station de base en liaison avec l’équipement qui lui fait face. Les picocellules, d’un rayon de 700 mètres et d’une capacité maximum de 14 appels simultanés, peuvent être reliées aux réseaux GSM ou UMTS par satellite. Compte tenu du nombre sans cesse croissant de périphériques informatiques utilisés dans les foyers, et de la complexité des systèmes domestiques, la simplicité d’emploi du "plug and play" est plus importante que jamais. Le Forum de la Femtocellule étudie actuellement une quinzaine de projets d’architectures de Femtocellule en vue de rédiger une norme harmonisée de portée mondiale, capable d’accueillir tous les équipements domestiques actuellement développés.
La convergence entre réseau fixe et réseau mobile qui permettra la mobilité totale dans le cadre du réseau est proposée par les entités de normalisation par le concours de l’architecture IMS (IP Multimedia Subsystem). L’IMS vise à assurer la compatibilité entre les réseaux mobiles 3G, les réseaux à commutation de circuits RTPC/RNIS et Internet pour les services vocaux et multimédia. L’IMS est un Internet amélioré qui permet de disposer d’une plateforme unique capable de gérer un grand nombre d’applications multimédia (dont la voix sur IP) avec une très bonne qualité de service sur les réseaux de circuits et de paquets, et entre réseaux fixes et mobiles. L’architecture IMS est constituée par un ensemble d’équipements et de protocoles dont les fonctions et les rôles se complètent. Le principe de l’IMS consiste d’une part à séparer nettement la couche transport de la couche des services et d’autre part à utiliser la couche transport pour des fonctions de contrôle, de signalisation et de qualité de service associée à l’application désirée. D’après les mises en œuvre déjà réalisées, il semble que l’IMS soit rentable à partir de plusieurs applications cibles justifiées commercialement.
En IMS, l’exploitant de réseau peut faire payer la qualité de service et la sécurité à son prix réel. Il contrôle mieux le réseau. La construction de nouvelles applications est facile et immédiate. L’IMS assure l’authentification mutuelle des deux parties (le client et le réseau). Ses coûts en feraient un outil très compétitif, si les marchés répondent favorablement. L’IMS apparaît comme la seule solution possible pour renouveler des équipements de réseau qui arrivent en fin d’amortissement et qui ne sont pas en mesure d’offrir des services multimédia diversifiés.
VII – Applications à haut débit
7.1 – Nécessité d’une solution spécifique
Avant que les Femtocellules et l’IMS ne soient totalement opérationnelles, les grands fournisseurs de contenus de l’Internet, tels que Google, Akamai, Level 3, etc. ont été confrontés aux difficultés posées par l’absence de fluidité du trafic relatif aux applications à haut débit pour les relations B2B et B2C. L’iPhone 3G est 40 fois plus exigeant en données que n’importe quel terminal de téléphonie mobile. Une page de Wikipédia "fait" 47 koctets, à comparer au petit kilooctet que demande un courriel. Le média enrichi réclame entre 250 à 500 koctets. Ceci sans parler de la vidéo sur les portables !
Ici et là, les exploitants de réseau renforcent la capacité en débit de leur réseau interurbain et de leurs réseaux d’accès fixes et radioélectriques. Mais, il faut organiser des structures de réseau adaptées à ces besoins particuliers.
7.2 - Réseau de distribution de contenus (CDN)
Une architecture complémentaire est nécessaire, non pas pour détruire l’Internet, mais pour le compléter et permettre à tous les grands distributeurs de contenus de prospérer. Une extension des liens vers les serveurs et une organisation du CDN (réseau de distribution de contenus, Content Delivery Network) sont devenues nécessaires et doivent trouver un financement rationnel.
Le concept de CDN, imaginé pour assurer la visioconférence, la distribution des images vidéo en MPEG-2 ou MPEG-4, ou du son en flux continu HTTP (streaming media) à partir de l’Internet, peut être repris pour toutes les applications à haut débit dont la qualité de service doit être sauvegardée. Le flux de données y traverse un réseau IP constitué parallèlement à Internet, qui obéit à des règles particulières. Ce réseau CDN dispose de routeurs et de mémoires cache associés pour masquer les effets de la latence et pour assurer éventuellement la protection des flux de données. Ces équipements disposent d’accès à Internet qui leur permettent de transmettre des informations en amont afin de réguler les flux de remise. L’association d’images et de signaux sonores au sein du flux nécessite une interactivité des équipements de réseau et du terminal, ainsi qu’un traitement particulier pour assurer la synchronisation des paquets IP en temps non réel. Les multiplexeurs du CDN effectuent à la demande une distribution hiérarchisée des flux multimédia, renvoient des informations à des serveurs spécialisés (gestion de trafic, nature des demandes, tarification des demandes et remises des droits) et gèrent l’écoulement des flux de façon à limiter la perte de paquets (contrôle de la situation de pré-congestion).
7.3 - Fonctionnement
a) La demande de transfert d’un fichier de flux multimédia est lancée par le client sur Internet. L’ISP serveur d’enregistrement des demandes (à droite sur le schéma) transmet au navigateur du demandeur un fichier texte, dit de "métadonnées". Ce fichier contient l’adresse du dossier multimédia contenu dans le serveur.
b) Téléchargé sur le navigateur de l’utilisateur, les métadonnées sont transmises au lecteur d’application. Celui-ci affiche la page d’accueil du lien et dirige une requête vers le serveur multimédia dédié.
c) Ce serveur (à gauche sur le schéma) délivre en continu une réplique du fichier multimédia demandé à travers le CDN, dont le flux est adapté à la connexion et au terminal de l’utilisateur.
d) Le serveur ISP multimédia lance ensuite vers l’utilisateur un flux adapté à la capacité moyenne de son terminal (inférieur à ses possibilités réelles, de façon à disposer d’une marge de congestion vis-à-vis des contraintes du réseau). Un système de gestion de trafic assure l’adaptation des débits aux possibilités du réseau CDN en jouant sur la variation du taux de compression.
e) Les logiciels applicatifs de l’utilisateur stockent d’abord les premiers paquets du flux multimédia dans des tampons mémoire, puis les font glisser progressivement vers les dispositifs d’affichage (écran, haut-parleur) pendant que de nouveaux paquets sont stockés à leur tour dans les tampons. Des données de contrôle sont émises par le terminal de l’utilisateur pour informer le serveur du niveau de remplissage des tampons mémoire.
7.4 – Évolutions
Plusieurs sociétés internationales, spécialisées en hébergement de sites Internet, ont ouvert récemment leur réseau de distribution de contenu afin de mieux répondre à la demande de leurs clients les plus exigeants en matière de qualité de trafic sur la Toile. Un CDN est en général constitué d’un réseau international géré par une quinzaine de centres d’exploitation, associés à des serveurs placés au plus près de la clientèle recherchée. L’objectif du CDN consiste à transmettre le plus rapidement possible l’information demandée à l’Internaute qui l’a sollicitée. Ce parcours particulier offert par le CDN permet d’offrir aux clients un routage intelligent et efficace. Sur un CDN, la réponse des serveurs est immédiate. Le CDN complète l’Internet avec le concours d’équipements de contrôle et de supervision qui garantissent la continuité de fonctionnement d’un service de qualité professionnelle. Le CDN dispose, à la proximité des utilisateurs, de serveurs mandataires (Edging, Mirroring, Proxing Hosts) qui gardent en mémoire cache les pages les plus demandées. Cette technique protége les serveurs des attaques externes et répartit la charge en appels de ces serveurs.
Les fournisseurs de contenus qui sont concernés par les transactions à haut débit sont en général des grands groupes commerciaux, des experts internationaux de la vente en ligne, du domaine bancaire, ainsi que des grands groupes industriels. Ces grands acteurs de l’économie mondiale s’adressent à trois catégories de sociétés susceptibles de leur fournir les structures de CDN les plus adaptées à leurs besoins :
1 - Des fournisseurs de services terrestres (un groupe majoritaire) qui savent placer les informations utiles dans les serveurs cache pour satisfaire les clients ;
2 - Des fournisseurs de service par satellite (moins nombreux), lesquels négocient avec les 500 plus grands groupes mondiaux les structures de liaisons les plus adaptées aux trafics visés par les applications ciblées ;
3 - Et enfin des fournisseurs de nouvelles technologies, qui mettent en place des solutions originales et diversifiées, adaptées aux services nouveaux proposés (serveurs cache dans le réseau d’accès, logiciels de gestion de trafic, algorithmes de contenu, outils de gestion, etc.).
Ces trois variétés d’intervenants sont regroupées au sein de l’Alliance "Content Bridge Alliance" [1]
Les exploitants utilisent des micro CDN locaux, urbains ou régionaux. La plupart d’entre eux ont recours au support fibre optique (plus rapide en temps de réponse), mais il existe aussi des approches avec des liens radioélectriques en WiMAX ou en liens satellitaires en pinceaux dynamiques en bande Ka afin de répondre à des demandes de mobilité sur le réseau routier, notamment en Amérique du Nord.
Akamai (25 % du trafic Internet mondial) a déployé 36 000 serveurs, hébergés par quelques 600 exploitants de réseau dans 70 pays, avec la possibilité de "tunnels SSL" en option, pour le compte de grands distributeurs commerciaux, de fournisseurs de logiciels en ligne, de diffuseurs de programmes télévisuels, etc.
VIII – Conclusions
Le domaine de la mobilité constitue certainement une préoccupation importante pour les exploitants de réseau, les fournisseurs de contenu et les utilisateurs. L’IMS est indispensable aux exploitants de réseau. D’autre part, les Femtocellules répondent, aux frais de l’abonné, à la pluralité des offres filaire et radio. Des équipements et des terminaux mobiles multimodes ont déjà été réalisés dans ce sens.
La mobilité en haut débit rajoute un élément supplémentaire aux contraintes de qualité de service qui sont déjà fortes pour les professionnels du commerce, des logiciels et des fournisseurs de contenus. La transmission d’images (fixes ou animées) requiert des débits sans proportion avec les conversations vocales. La crise économique freinant actuellement les investissements, les industriels négocient des compromis avec leurs concurrents afin de simplifier les interfaces entre réseaux et terminaux.
Sources – "Initiation aux Télécoms, D. Battu, Editions Dunod, 2003.- IEEE Communications Review. NetworkWorld – CIMI – Akamai, etc.
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