Consultation 5G ARCEP- Bande de 3.4 GHz – 3.8 GHz

L’Arcep met en consultation publique les modalités d’attribution et les obligations pour les candidats à la 5G sur la bande de 3.4 GHz à 3.8 GHz. 300 MHz de bandes seront mis en enchère en automne 2019. La taille du bloc minimum est de 40 MHz et des blocs supplémentaires de 10 MHz de bande sont ensuite vendus aux opérateurs. Cependant, l’intérêt pour un opérateur est d’obtenir au minimum une bande de 80 MHz pour apporter une plus-value par rapport à la 4G et l’agrégation de porteuses. La taille maximum est de 100 MHz. Les fréquences seront attribuées pour 15 ans.

Cette bande de fréquence est uniformisé en Europe par le CEPT (bande n77 et n78)

Double Connectivité (DC – Dual Connectivity) 4G/5G – 3ème article

Pour continuer l’étude de la double connexion, je vous propose un call-flow. Ce call Flow termine l’étude de la Double connexion.

Le document est une lecture de la norme (Spécification 3GPP 38.912) dans un contexte ou les équipementiers testent leurs solutions. Mettez en doute chacune de mes affirmations, et n’hésitez pas à me corriger si vous détectez des erreurs.

Je me suis aussi inspiré du blog de Martin SAUTER : https://blog.wirelessmoves.com/2018/08/5g-en-dc-lets-talk-about-signaling-srb1-2-srb-3-split-srb.html

2-3) Call Flow – EN-DC NSA : Split-Bearer option 3X (Création d’un support entre le cœur réseau 4G (EPC) et une station de base en-SgNB)

Le call flow présente le ré-établissement d’un support (bearer) entre l’entité SGW et la station de base secondaire en 6 étapes pour le sens descendant uniquement (se référer au premier article). 

On considère ici le cas de l’option 3X :

  • le bearer montant est maintenu au niveau de l’entité eNB
  • le bearer descendant est configuré vers l’entité S-en-gNB (SCG Configuration) et partagé entre les deux stations de base (Split-bearer)

On part évidemment dans l’hypothèse que le terminal est déjà attaché au réseau, et que le support PDN par défaut existe. Cette hypothèse permet d’avoir l’identifiant TEID UL du SGW stocké au niveau de l’entité MME, ce qui est nécessaire lors du ré-établissement de support (entre le SGW et l’eNB). Le TEID S1-UL est l’identifiant de tunnel qui sera inscrit dans le contexte de l’entité eNB (donc le Master) permettant d’étiqueter le flux montant (association avec l’identité temporaire du terminal et la QoS correspondante). Ainsi, les données émises par le terminal UE vers l’entité eNB (lien montant) et identifiées par l’identifiant radio C-RNTI seront transférées par l’entité eNB vers l’entité SGW avec l’identifiant d’acheminement TEID S1-UL (et l’adresse IP du SGW). Pour l’entité SGW, le tunnel TEID a été construit et correspond à l’identifiant du tunnel par défaut monté lors de la procédure d’attachement (PDN Connectivity).

Dans cet exemple, on suppose la création d’un support entre l’entité SGW et l’entité en-gNB. Ce support peut (mais pas obligatoire) remplacer le support existant entre l’entité SGW et l’entité eNB. On se positionne donc sur l’option 3x.

On suppose également que la station de base eNB a activé la cellule secondaire en-gNB (procédure X2AP Secondary Cell activation). Ainsi, la station de base eNB émet la liste des cellules 5G présentes dans le message de SIB2 permettant au terminal UE d’être informé de la présence du réseau 5G (et d’afficher le logo 5G).

Etape 1 : Connexion radio et cœur réseau en 4G

Le terminal UE fait une demande de connexion radio vers l’entité eNB, à laquelle la station de base répond en indiquant l’identifiant radio C-RNTI pour la connexion LTE.

A partir de l’identifiant C-RNTI, le mobile transmet une requête RRC d’établissement de support (RRC Connexion Request) en indiquant la raison de sa demande (Establishment cause).

La station de base eNB répond au terminal UE par le message RRC Connection SETUP (Support de signalisation SRB0).

Le terminal UE encapsule le message NAS (Service Request) dans le message RRC Connection Setup Complete (support de signalisation SRB1) à destination de la station de base eNB. Il indique au réseau qu’il supporte la fonction DC 4G/5G en positionnant le bit DCNR du message UE Capability Network à 1. Le message est chiffré avec la clé NAS (MME).

La station de base eNB transmet le message NAS à l’entité MME. Si l’entité MME ne parvient pas à déchiffrer le message, il procède à l’authentification et à la mise en sécurité NAS. L’authentification nécessite l’apport de l’entité HSS.

Cette procédure est optionnelle car si le message NAS est déchiffré par l’entité MME, l’authentification est alors validée.

Etape 2 :  Mise en place du support pour le lien montant UL entre l’entité eNB et l’entité SGW et du support radio bi-directionnel entre le terminal UE et la station de base (récupération des capacités du terminal et mise en sécurité AS sur l’accès LTE)

A partir de cette étape, tous les messages NAS échangés entre le terminal UE et l’entité MME sont chiffrés.

L’entité MME transmet à la station de base eNB via le message Initial Context Setup Request :

  • les capacités QoS maximales (extended UE AMBR);
  • l’identité QoS de la requête de service ;
  • l’identité du support radio (RAB Id) ;
  • le numéro de tunnel SGW TEID UL permettant d’identifier le lien UL au niveau du SGW ;
  • la clé de sécurité (KeNB) permettant de dériver les clés de chiffrement et d’intégrité sur le lien radio

A partir du message Initial Context Setup Request, l’entité eNB doit :

  • mettre en œuvre l’établissement du support E-RAB configuré par l’entité MME ;
  • sauvegarder le profil de QoS de l’utilisateur (UE-AMBR) ;
  • sauvegarder la liste de restriction de handover (handover restriction list IE);
  • transmettre les valeurs contenues dans chaque élément d’information E-RAB ID IE et NAS-PDU IE pour chaque support d’accès radio (RAB) ;
  • sauvegarder la capacité du terminal UE (exemple : IoT et le mode CE)et ses capacités de sécurités (UE security capacities et NR UE security capacities ) .

La capacité du mobile à supporter la double connexion 4G/5G est signalée à l’entité MME dans le message d’information : Extended UE-AMBR Downlink and Uplink Information Elements. Ces informations sont connues par le MME et récupérées à partir de l’entité HSS lors de la demande d’attachement de l’utilisateur.

Si la liste de restriction de handover est transmise, l’entité eNB pourra sélectionner la cellule secondaire SCG pendant l’opération de Double Connexion.

En absence d’information sur le terminal de la part de l’entité MME, la station de base demande des informations sur les capacités radios supportées par le terminal UE (UE-CapabilityRequest = eutra, eutra-nr, nr).

Le terminal UE informe la station de base MeNB (on parle maintenant de MeNB car on se prépare à la double connexion) qu’il supporte le mécanisme DC NR et indique les bandes supportées dans le message UE-CapabilityRAT-ContainerList {rat-Type EUTRA-NR, ue-CapabilityRAT-Container = UE-MRDC-Capability}, SupportedBandListNR-r15.

Les informations récupérées par l’entité MeNB sont transmises à l’entité MME par le message UE Capability Information Indication portée par l’application S1 AP

A l’issu du message Initial Context Setup Request, l’entité eNB :

  • sécurise le lien radio ;
  • établi le lien radio avec le terminal UE via le message RRC Connection Reconfiguration (SRB2)

L’entité MeNB configure le terminal UE des mesures à réaliser (Objects Measurements) sur les liens radios 4G/5G et active le lien radio (support Data) via le message RRC Connexion Reconfiguration en fournissant au terminal UE le numéro de séquence PDN et l’identifiant du support radio (EPS Radio Bearer Identity).

Le terminal UE confirme l’activation du support par défaut (RRC Connection Reconfiguration Complete).

A partir de ces messages RRC Connection Reconfiguration, le support radio data (RAB) est établi dans les deux sens entre le terminal UE et la station de base. Le terminal peut donc recevoir ou transmettre des données avec la station de base.

Une fois la connexion établie (et sécurisée), l’entité eNB acquitte la demande d’établissement de support du MME par le message Initial Context Setup Response. Ce message contient la liste des supports RAB (E-RAB list) qui sont établis par l’entité MeNB.

Etape 3 : Configuration du support S1-U pour le lien descendant DL

L’entité MeNB transmet à l’entité MME le message Initial Context Setup response en réponse au message Initial Context Setup request transmis précédemment par le MME pour la demande d’établissement du support. C’est à ce moment que l’entité MeNB transmet à l’entité MME l’identifiant TEID DL qui sera utilisé par le SGW pour l’acheminement du trafic descendant vers la station de base MeNB (et à destination du terminal UE).

L’entité MME créée une entrée dans la table d’acheminement de l’entité SGW avec l’identité TEID DL et l’adresse IP de l’entité eNB pour le contexte de transfert en DL. A partir de ce moment, le trafic descendant est possible au niveau du cœur réseau et donc de bout en bout.

A ce stade, le support EPS par défaut est établi permettant une connexion bi-directionnelle entre le terminal UE, la station de base maîtresse MeNB, et les entités du plan de transport SGW/PGW.

Etape 4 : Préparation à la Double Connexion 4G/5G (option 3)

La procédure d’ajout d’un nœud secondaire est controlée par l’entité MeNB et la requête est soumise à la station de base secondaire via le message SgNB Addition Request. Cette procédure permet à la station de base maitresse de définir le type l’option DC (3/3a/3x) en transmettant les identifiants de tunnel TEID pour le support MCG/SCG ou en demandant à l’entité SgNB de fournir les identifiants de tunnel pour le support SCG.

Si on revient sur la figure 8, il y a beaucoup d’options possibles :

  • MCG bearer ;
  • SCG bearer ;
  • Split-bearer.

Chaque support est transmis du cœur de réseau vers l’entité MeNB ou vers l’entité SgNB ou vers les deux. On va nommer la station de base en-gNB sous le terme SgNB.

A titre d’exemple, le support MCG peut être reçu par l’entité SgNB et les paquets DL sont transmis de l’entité SgNB vers l’entité MeNB. La norme précise que si la requête SgNB Addition Request demande la configuration entre le coeur de réseau 4G et l’entité S-gNB alors l’entité S-gNB transmet l’identifiant de tunnel S1 SGW TEID DL à l’entité MeNB pour modifier le tunnel descendant avec l’entité SGW. Pour terminer le tunnel descendant vers l’entité eNb, ce dernier transmet l’identifiant de tunnel MeNB DL GTP TEID at MCG IE pour le tunnel entre l’entité SgNB et MeNB. Dans ce cas, l’entité SgNB doit utiliser ce numéro de tunnel en tant qu’acheminement en DL (DL X2-U) pour délivrer les paquets DL PDCP.

Pour résumer :

  1. avant l’ajout d’un noeud secondaire, le tunnel data s’effectue entre le CN et l’entité MeNB.
  2. Après l’ajout du noeud secondaire, l’entité SGW aura modifié sa table de commutation vers l’entité SgNB (identifiant S1 SGW DL) et l’entité SgNB aura crée une table dans sa table de commutation vers l’entité MeNB (MeNB DL GTP TEID).

Mais pendant la phase de changement de commutation de tunnel entre l’étape 1 et l’étape 2, les paquets transmis du SGW vers l’entité MeNB seraient perdus? Il faut donc assurer un tunnel temporaire entre l’entité MeNB vers l’entité SgNB des données arrivant du SGW. Ce numéro de tunnel est transmis dans le message SgNB Addition Request, par le paramètre MeNB UL GTP TEID at PDCP IE. Pour que le tunnel soit complet, l’entité SgNB va répondre dans le message SGNB ADDITION REQUEST ACKNOWLEDGE le numéro de tunnel du SgNB (Secondary SgNB DL GTP TEID at SCG IE) en indiquant le mode de transmission (duplication ou non).

Nous allons maintenant étudier les requêtes, cependant, avant d’établir une double connexion, l’entité MeNB analyse les mesures effectuées par le terminal UE.

Dans le précédent message de signalisation RRC Connexion Reconfiguration SRB2, l’entité MeNB avait transmis au terminal UE les éléments de mesure (measurement objects) à réaliser. Dans le cas d’un terminal compatible DC LTE/NR, la station de base maîtresse MeNB demande au terminal UE d’écouter les signaux de références NR.

Le terminal UE se synchronise sur les signaux de références PSS/SSS 5G et mesure le niveau de puissance reçu à partir des canaux de références DM-RS (transmis avec le bloc SSB : bloc de synchronisation et BCCH) et le signal de référence CSI-RS. A cette étape, le terminal ne cherche pas à établir un support de signalisation SRB avec la station de base secondaire SgNB, mais uniquement à remonter la qualité du lien radio NR.

Si la mesure du lien radio réalisée par le terminal UE et transmise à la station de base MeNB permet d’établir une double connexion, la station de base maitresse MeNB demande l’ajout d’un second nœud radio avec la station de base secondaire 5G SgNB.

Nous allons étudier la procédure d’ajout du nœud secondaire (procédure SgNB Addition). Nous verrons ensuite la procédure de modification du nœud secondaire. La procédure d’ajout d’un nœud secondaire s’effectue par un échange d’information sur le routage et la QoS des supports, et la procédure de modification permet de changer la configuration.

La requête SgNB Addition Request transporte les informations de configuration du support (TEID, E-RAB Parameters), les capacités du terminal et les informations de sécurité de la couche radio : Pour le chiffrement, la station de base MeNB indique au terminal si le chiffrement sera réalisé par l’entité PDCP 4G ou par l’entité PDCP 5G.

En fonction de l’option DC choisi (ou imposée) par l’entité MeNB, les paramètres échangés entre la station de base maitresse MeNb et secondaire définissent :

  • le routage du support (bearer) soit au niveau du cœur réseau (MCG/SCG), soit au niveau de l’accès radio (MeNB ou SgNB pour le split-bearer) ;
  • l’allocation de ressource et la QoS attendue sur le support MCG ou le support SGC (Request MCG E-RAB Level QoS Parameter IE ou Request SCG E-RAB Level QoS Parameter IE).

Ainsi, les paramètres transmis lors de la procédure d’ajout d’un nœud secondaire concernent :

  • les caractéristiques du support radio E-RAB (E-RAB Parameters, TNL address information) ;
  • les dernières mesures radios correspondant à l’entité SgNB
  • les informations de sécurité pour l’établissement du lien de signalisation SRB3 (option si la configuration SRB-splitUL est activée)
  • les informations
    • de configuration SCG avec les capacités du terminal UE (UE capabilities and UE capability coordination result) : les identifiants de tunnel SgNB DL TEID
    • de configuration Split-bearer avec les capacités du terminal UE : les identifiants de tunnel dans le cas de l’établissement d’un support nécessitant un transfert via l’interface X2-U entre les nœud maître et secondaire (MN et SN) pour le split bearer : X2-U TNS address information (MeNB UL TEID)
  • les caractéristiques de la QoS dans le cas de l’option de split-bearer.
    • maximum supportable QoS level

Si la station de base secondaire accepte la demande d’ajout de nœud, celle-ci répond par un message SgNB Addition Request acknowledge et transmet :

  • l’allocation des ressources radios nécessaires pour le transport des flux ;
  • décide de la mise en place de l’agrégation de porteuse en attribuant des ressources sur la cellule principale PScell (cellule de service ou Serving Cell) et éventuellement les cellules secondaires pour l’agrégation de porteuses sur l’entité gNB (SGS Scells) ;
  • selon l’option choisi (option 3a ou option 3x) :
    • fournit les identifiants d’adressage sur le lien X2-U dans le cas ou du trafic doit être transmis entre l’entité MeNB et l’entité SgNB.
  • Selon le mise en place de ressources radio SCG, l’entité SgNB fournit la configuration des ressources

Dans le cas de l’option de configuration du support SCG ou de l’option 3x (split-bearer) sur l’entité SgNB, le support radio est géré par l’entité PDCP de la station de base secondaire SgNB. Dans ce cas, l’entité maîtresse MeNB propose la modification d’acheminement d’un certain nombre de supports sur la liaison descendante. Les différents supports à modifier sont indiqués dans les éléments d’informations DL forwarding IE du champ E-RAB to Be Added Item (tableau 1).

Tableau 1 : Les champs d’information de la requête en-SgNB addition Request

La liste des supports radios E-RAB pris en charge par l’entité secondaire SgNB est transmise à la station de base maitresse MeNB via le message SgNB Addition Request Acknowldge.

L’entité SgNB valide en totalité ou partiellement la demande de l’entité MeNB. Les supports pris en charge par l’entité SgNB sont indiqués à l’entité SgNB dans l’élément DL Forwarding GTP Tunnel Endpoint du champ E-RAB to Be Added Item (tableau 2).

L’allocation de ressource au niveau de la station de base secondaire SgNB permet :

  • d’établir la cellule primaire Pscell et éventuellement d’autres SCG Scells
  • Dans le cas de l’option 3 ou 3x nécessitant un support sur l’interface X2-U
    • l’entité SgNB fournit les informations d’adressages X2-U TNS pour l’acheminement des données
  • Dans le cas d’une requête de support radio SCG radio
    • l’entité MeNB fournit la configuration des ressources radio SCG

Tableau 2 : Les champs d’information de la requête SgNB addition Request Acknowledge

Pour résumer, la configuration (pour chaque support radio) de la table d’acheminement correspondant à l’option 3/3a/3x de la double connexion est transmis par l’entité secondaire SgNB vers l’entité MeNB dans le message SgNB Addition Request Acknowldge :

  • SCG Bearer
    • une identité de tunnel S1 DL GTP TEID ;
    • une identité de tunnel DL Forwarding pour le transfert du bearer dédié à l’eNB (et non partagé, le tunnel arrive à l’entité S-gNB et est entièrement transmis à l’entité MeNB);
    • une identité de tunnel UL Forwarding pour transmettre les données reçues par l’entité MeNB vers le CN (point d’ancrage SgNB)
  • Split-bearer
    • une identité de tunnel S1 DL Forwarding GTP TEID
    • une identité de tunnel X2 DL GTP TEID pour les données partagées au niveau de l’entité SgNB et destiné à l’entité MeNB.

Dans le cas de l’option 3a (avec le SCG bearer défini au niveau de l’entité en-gNB) et dans le cas de l’option 3x (le split bearer est ancré au niveau du en-gNB), l’entité MeNB devra communiquer au MME l’identifiant de tunnel S1 DL TEID pour l’établissement du bearer S1-U entre l’entité en-gNB et l’entité SGW.

Dans le cas du SCG bearer défini au niveau de l’entité MeNB ou dans le cas du split bearer au niveau de l’entité eNB (option 3), la modification d’acheminement porte sur le routage de tunnel TEID entre l’entité en-gNB et l’entité MeNB : la station de base maîtresse MeNB va transmettre à l’entité en-gNB l’identifiant de tunnel X2 UL TEID pour l’établissement du bearer X2-U entre l’entité S-gNB et l’entité SGW et l’entité SgNb envoie l’identifiant de tunnel X2 DL TEID à l’entité MeNB.

Si la station de base maitresse MeNB a demandé à l’entité SgNB la configuration d’un support MCG en transmettant dans le message SgNB Addition Request la ressource MeNB DL GTP TEID at MCG, alors l’entité SgNB doit utiliser l’adresse X2-U pour les paquets PDU PDCP dans le sens descendant.

A partir du moment où les règles d’acheminement ont été négociées entre l’entité maitresse MeNB et l’entité SgNB, la station de base MeNB transmet au terminal UE la nouvelle configuration radio. Le contenu de la configuration du lien radio est transmis par l’entité MeNB au terminal UE via le message RRC Connection Reconfiguration (SRB2). Ce message transporte la requête NR RRC Connection Reconfiguration

A partir de ce message, le terminal UE récupère la configuration du lien RACH avec l’entité SgNB et l’identité C-RNTI pour l’accès 5G.

Le terminal UE transmet le message RRC Connection Reconfiguration Complete à l’entité MeNB. Ce message transporte la requête NR RRC Reconfiguration Complete destiné à l’entité SgNB. La station de base maîtresse transfert ce message à l’entité SgNB via l’interface X2 à travers le message SgNB Reconfiguration Complete. La station de base maitresse transmet ensuite le numéro de séquence SFN des supports SCG qui seront transférés vers l’entité SgNB.

A ce stade, le support radio NR n’est pas encore finalisé, mais les données du support reçue au niveau de l’entité MeNB et provenant de l’entité SGW sont routées et bufférisées au niveau de l’entité SgNB.

Etape 5 : Création d’un support SCG entre le cœur de réseau 4G et la station de base SgNB

Dans le cas de la création du support SCG, la station de base maîtresse demande à l’entité MME de modifier la table d’acheminement au niveau de l’entité SGW afin d’acheminer les supports vers la station de base SgNB et non plus vers la station de base maîtresse MeNB.

L’entité MME modifie la table d’acheminement au niveau du SGW par une requête de modification de support (Modify Bearer). Une fois la modification portée, l’entité SGW confirme à l’entité eNB la suppression du bearer, ce dernier transfère alors les données subséquentes vers l’entité SgNG en attendant l’établissement du lien radio NR.

Dans le cas de l’option du split bearer option 3, l’entité MME n’est pas informé de la modification de la demande de bearer S1-U.

Dans le cas de l’option du split-bearer option 3x, l’entité MME est informé de la modification du point de terminaison du bearer S1-U.

Etape 6 : Etablissement de l’accès radio 5G

Le terminal UE se synchronise sur l’accès radio NR avec l’entité SgNB à partir des signaux de synchronisation PSS et SSS. A partir du PSS et SSS, le terminal UE récupère le numéro de la cellule NR PCI.

La lecture du MIB permet au mobile de se synchroniser avec le début de la trame.
Le terminal UE fait une demande d’accès radio via la procédure d’accès aléatoire RACH. Le préambule aléatoire est déterminé par la lecture du MIB (accès avec contention) ou à partir des informations transmises au mobile lors de l’étape 4 pour un accès sans-contention (message RRC Connection Reconfiguration).

La station de base secondaire fournit l’identifiant temporaire RA-RNTI puis alloue des ressources radio NR au terminal (DCI 1.0). Le terminal acquitte par une réponse en UL (PUSCH) et des données sur le lien montant.

La connexion bidirectionnelle est établie entre le terminal UE et le cœur de réseau SGW via l’entité SgNB.

Régulièrement, le terminal UE transmet à la station de base maîtresse MeNB l’information PHR (Power HeadRoom) concernant à la fois le lien sur la station maitresse et secondaire.

Le terminal transmet également les rapports de puissance régulièrement vers l’entité maitresse MeNB. L’entité MeNB transfert les informations de mesure vers l’entité secondaire SgNB.

 

Double Connectivité (DC – Dual Connectivity) 4G/5G – 2ème article

2-1) Architecture du plan de contrôle

Dans l’architecture DC, chaque station de base gère son propre ordonnanceur : Chaque ordonnanceur est responsable de l’allocation des ressources radio-électriques dans la cellule. Il est cependant nécessaire de partager des informations de contrôle entre la cellule secondaire (en-gNB) et la cellule maîtresse (MeNB) comme le contrôle de la mobilité et la mesure du lien radio entre la station de base secondaire et le terminal UE.

Chaque nœud radio (eNB et en-gNB) dispose de sa propre entité RRC.

La connexion initiale s’effectue entre le terminal UE et la station de base 4G. La station de base 4G initie l’établissement du support radio avec la station de base en-gNB ce qui nécessite l’échange de signalisation RRC entre le terminal UE et la station de base en-gNB.

Le canaux radio de signalisation SRB sont transmis sur le groupe de cellules maîtresses MCG mais optionnellement, le terminal UE peut également échanger de la signalisation directement avec la station de base secondaire.

Pour transporter les messages RRC entre le terminal et les nœuds d’accès radio, les signalisations SRB (Signaling Radio Bearer) sont utilisés :

  • SRB0 concerne les messages RRC portant les informations du canal logique de contrôle commun CCCH (Common Control Channel)
  • SRB1 transporte les messages NAS précédent l’établissement du support SRB2 concernant les canaux logiques de contrôle dédié DCCH
  • SRB2 à l’instar du support SRB1 transporte les canaux logiques de contrôle dédié DCCH avec une priorité plus petite que le support SRB1. Le support SRB2 est toujour configuré après la mise en place de la sécuri :té du lien radio.
  • SRB3 transporte des messages RRC spécifiques au mécanisme DC et directement échangés entre l’entité SgNB et le terminal UE (optionnel).

Chaque entité MeNB et SgNB est configuré au niveau du lien radio pour communiquer des flux de données avec le terminal UE en fonction du mécanisme DC, on note :

  • MCG (Master Cell Group) : Des messages SRB1/SRB2 sont transmis directement entre le terminal et la station de base MeNB
  • Split SRB (SRB1+SRB1S, SRB2, SRB2S) : la signalisation SRB est séparée au niveau de la couche PDCP entre l’entité MeNB et SgNB. La signalisation SRB du nœud maître est donc transmise soit au niveau du nœud maître, soit au niveau du nœud secondaire et réciproquement, la signalisation SRB du nœud secondaire est donc transmise soit au niveau du nœud maître, soit au niveau du nœud secondaire. Les messages RRC du nœud secondaire peuvent être encapsulés dans les messages RRC de la station de base maîtresse.
  • SCG (Secondary Cell Group) : les messages de signalisation SRB3 sont transmis directement entre la station de base secondaire (SgNB) et le terminal.

Ainsi, dans le cas où le lien SRB3 est configuré entre le terminal UE et la station de base secondaire, les rapports de mesure du lien radio (CSI) et la mobilité peuvent être transmises directement vers l’entité en-gNB (figure 6). Sinon, ceux-ci sont transmis dans un containeur SRB2 entre les deux stations de bases par le message RRC Transfer.

Figure 6 : Architecture du plan de contrôle

Avant de procéder à la reconfiguration du lien radio pour la double connexion, la station de base doit vérifier la compatibilité du terminal UE (capability information).

2-2) Etablissement de la connexion radio

L’entité MeNB et en-gNB disposent de leur propre ordonnanceur : chacun gère la quantité de données à transmettre et l’allocation radio via des messages RRC. La signalisation RRC permet d’établir ou libérer le support data, de réaliser de l’agrégation de porteuses, de réaliser le handover vers une autre station de base, d’allouer un canal dédié.

Il est néanmoins nécessaire de configurer le support de signalisation (SRB : Signaling Radio Bearer) pour pouvoir transmettre les requêtes RRC. Il existe trois façon pour configurer le SRB au niveau de la station en-gNB :

1ère possibilité : La station de base maîtresse MeNB configure le SRB1 et SRB2 avec le terminal UE pour ses messages RRC. L’entité en-gNB transmet ses messages RRC à l’entité MeNB sur l’interface X2 et l’entité MeNB encapsule ses messages RRC en provenance (ou respectivement pour) l’entité en-gNB dans les supports de signalisation SRB2 vers (ou respectivement) depuis le terminal UE.

2ème possibilité : La station de base maîtresse MeNB utilise le support radio de signalisation SRB1/SRB2 pour ses propres messages RRC. La station de base secondaire en-gNB établit son propre support de signalisation SRB3 pour communiquer directement avec le terminal UE.

3ème possibilité : La station de base maîtresse MeNB établit une séparation de support (split bearer ou plus précisément split Radio Bearer) pour la signalisation : Les messages RRC de la station de base maitresse MeNB et les messages RRC de la station de base secondaire en-gNB encapsulés dans le support radio de signalisation SRB1/SRB2 peuvent être émis par l’entité MeNB ou l’entité en-gNB ou par les deux.

Une fois le support de signalisation radio configuré, chaque station de base MeNB et en-gNB peut transmettre ses données vers le terminal UE à travers les sous-couches PDCP, RLC et MAC (figure 7) :

Figure 7 : Architecture protocolaire pour la transmission de la signalisation (SRB)

Le trafic est partagé soit au niveau du cœur réseau (option 3a) soit au niveau de l’entité MeNb (option 3) ou au niveau de l’entité en-gNB (option 3X).

Le support MCG (Master Cell Group) est le support radio (radio bearer) fournit par la station de base maitresse MeNB (lequel peut aussi procéder à de l’agrégation de porteuses).

Le support SCG (Secondary Cell Group) est le support radio (radio bearer) fournit par la station de base en-gNB (lequel peut aussi procéder à de l’agrégation de porteuses).

D’un point de vue cœur réseau, on distingue deux supports différents. Pour bien comprendre la figure 6 et la notion de split-bearer, il faut revenir sur la définition du support.

Un bearer EPS porte des flux de trafic ayant les mêmes caractéristiques QoS (QCI, ARP, GBR, MBR) entre l’entité PGW et le terminal UE. Ce bearer est caractérisé par :

  • des paramètres de QoS (latence, débit, taux d’erreur) ;
  • des identifiants d’acheminement permettant le routage de bout en bout.

Le bearer S1-U et le bearer radio forment une connexion logique entre l’entité SGW et le terminal UE.

La notion de split bearer concerne le partage du support radio au niveau de l’entité PDCP de la station de base eNB ou de la station de base secondaire en-gNB. Ce partage aurait pu être réalisé par l’entité RLC ou MAC. Dans le cas du DC 4G-5G, c’est l’entité PDCP qui partage le support. Dans l’option 3, le split bearer concerne le support MCG, dans l’option 3x, le split bearer concerne le support SCG.

Figure 8 : Architecture protocolaire DC option 3, 3a et 3X

Le rappel de la définition du bearer est importante pour expliquer cette figure : Le bearer MCG correspond à un support transmis sur l’interface radio LTE, le bearer SCG est transmis sur l’interface radio NR.

Le bearer MCG et le bearer SCG sont définis par des caractéristiques de QoS et de routage. Du point de vue du cœur réseau, le routage est établi de bout en bout par l’entité MME entre l’entité SGW et le nœud radio, celui-ci peut être le nœud radio eNB ou le nœud radio gNB.

Donc, d’un point de vue cœur réseau il y a deux supports : le bearer MCG et le bearer SCG.

Le point de terminaison du bearer MCG est soit la station de base eNB soit la station de base en-gNB. Le point de terminaison du bearer correspond au tunnel TEID. Par contre, le bearer MCG est transmis sur l’interface radio LTE, donc si le point de terminaison est l’entité eNB, le flux est pris en charge par l’entité eNB, si le point de terminaison est l’entité gNB, le flux est acheminé vers l’entité eNB.

La figure 8 montre que le traitement est effectué au niveau de l’entité PDCP, le chiffrement est donc défini par un chiffrement NR ou LTE.

Ainsi, le standard défini :

  • un bearer MCG ou SCG entre le cœur réseau et l’entité eNB ;
  • un bearer MCG ou SCG entre le cœur réseau et l’entité gNB.

Les flux du bearer MCG qui sont acheminés sur l’entité eNB sont transmis intégralement sur les entités protocolaires PDCP 4G, RLC 4G et MAC 4G de l’entité eNB, alors que les flux du bearer SCG acheminés sur l’entité eNB sont pris en charge par l’entité protocolaire PDCP 5G de l’entité eNB et transmis intégralement à l’entité RLC 5G et MAC 5G de l’entité gNB.

Le même raisonnement peut être appliqué au niveau des flux du bearer MCG ou SCG acheminés sur l’entité gNB.

C’est ce que montre la figure 8 (spécification TS 37.340 figure 4.2.2.3) et le terminal dispose de deux entités PDCP : l’entité 4G PDCP configurée lors de la demande de session de la part du terminal, et l’entité 5G PDCP est configurée lors de la double connexion. L’entité 5G PDCP est gérée par la station de base MeNB (Option 3) ou par la station de base SgNB  (option 3a ou 3x).

Le split-bearer introduit la notion d’un seul bearer vu du coté cœur réseau qui est partagé entre l’entité eNb et en-gNb par l’un des deux nœuds (option 3 par l’entité eNb et option 3x par l’entité en-gNB).

Remarque : Il est à noter que le split bearer peut être configuré uniquement en DL. Ainsi dans le cas de l’architecture DC option 3x plus particulièrement, les équipementiers ont choisi de séparer le flux descendant entre l’entité en-gNB vers l’entité MeNB pour pouvoir augmenter le débit descendant mais le flux montant est ancré au niveau de l’entité MeNB.

Ainsi, pour l’option 3x, lorsque l’entité en-gNB réalise la séparation du support au niveau de la couche NR-PDCP, le mobile traite les données dans les couches NR RLC et LTE RLC.

Figure 9 : Option 3x – Split bearer pour le lien descendant

Figure 10 : Option 3a : MCG/SCG bearer

Figure 11 : Option 3x : MCG et split-bearer

Dans un prochain article nous traiterons le call-flow

Double Connectivité (DC – Dual Connectivity) 4G/5G

La 5G arrivera en 2020, le déploiement sera un déploiement au niveau de la couche radio. Comment la 5G sera déployée? Quels services va t’elle apporter? Quelles performances? Comment la station de base 5G (gNB) sera controlée? Peut on parler de 5G si le coeur réseau est 4G?

Ces réponses seront apportées dans une série d’articles, et voici le premier article d’une longue série sur la double connectivité.

Introduction

La double connectivité implique la présence de deux stations de base pour apporter des ressources radio-électrique vers un terminal mais un seul point de terminaison de signalisation vers le coeur réseau. Dans une première phase, le coeur de réseau est le coeur de réseau 4G (EPC), le point de terminaison est donc l’interface S1-MME.

La double connexion implique soit deux stations de bases LTE (se référer à l’article suivant) soit une station de base NR et une station de base LTE (Multi-Radio DC – MR-DC aussi nommé NR-DC).

Chaque nœud radio contient plusieurs cellules (une cellule pour une antenne omni-directionnelle, trois cellules, 6 cellules pour des antennes multi-sectorielles, …), et chaque nœud gère plusieurs porteuses LTE ou NR (agrégation de porteuses).

La double connexion implique donc la gestion de groupe de cellules (GC : Group Cell) pour chaque nœud radio. L’objectif d’un groupe de cellules est de gérer les données sur une ou plusieurs porteuses pour augmenter le débit. Dans un groupe de cellules (GC), on identifie la cellule principale (SpCell) qui est en charge de contrôler toutes les cellules du groupe et optionnellement une ou plusieurs cellules secondaires (SCell).

La double connectivité définie la notion de support MCG (Master Cell Group) et SCG (Secondary Cell Group bearer). Le support MCG est géré par la station de base maitresse, le support SCG correspond aux supports de la station de base secondaire. La double connexion permet de modifier la terminaison du plan de transport (U-plane termination) vers le support MCG ou SCG via la signalisation S1-MME sans modifier le point de terminaison du nœud de contrôle S1-MME (la signalisation est toujours définie entre le cœur de réseau et la station de base maîtresse).

Ainsi, si on appelle MCG le groupe de cellule maître et SCG le groupe de cellules secondaires, le MSG et le SCG peuvent avoit un SpCELL et des SCELL.

La fonctionnalité Double Connectivité (Dual Connectivity DC) a initialement été spécifiée sur le réseau de mobiles 4G entre deux stations de bases eNB différentes (sur des porteuses différentes) avec l’objectif d’augmenter le débit ressenti par l’utilisateur en agrégeant des flux des deux eNB en dépit de la latence provoquée par le lien X2 (backhaul). Cela constitue une différence avec l’agrégation de porteuses ou l’agrégation des flux est réalisée sur la même station de base dans deux bandes radios différentes. Dans le cas de la double connexion, les stations de base n’ont pas besoin d’être synchronisées (et peuvent donc être non co-localisées).

Figure 1 : Agrégation de porteuses et Double Connexion

L’interface X2 est une interface physique, généralement en Fibre Optique. L’interface X2 peut être séparée en deux interfaces, l’interface X2-U pour l’échange de données du plan utilisateur entre la station de base maîtresse et secondaire (handover, double connexion), et l’interface X2-C permettant l’échange des informations de contrôle entre les deux stations de base.

La pile protocolaire pour le plan de transport sur l’interface X2-U utilise les couches protocolaires GTP-U, UDP, IP et la couche de niveau 2

  1. La double connectivité DC 4G-4G (se référer à l’article DC 4G/4G)

L’option DC 4G-4G a déjà été présentée dans un article précédent, on différencie le plan de contrôle et le plan de trafic. L’une des deux stations de base est responsable de la signalisation avec le cœur réseau et le terminal. Les supports (nommés bearer) de signalisation correspondent aux bearer SRB1 et SRB2 entre le terminal Ue et la station de base maîtresse (MeNB). La station de base secondaire est responsable de la connexion de données additionnelles sur le lien radio (DRB) et vers le cœur réseau.

Plan de contrôle :  La station de base maîtresse (MeNB) établie la connexion RRC avec le terminal UE et la connexion radio avec l’entité SeNB (Secondary eNB) est contrôlée par la station de base maîtresse.

Plan utilisateur : Deux options sont supportées pour la DC 4G-4G :

  • Option 1A : Le cœur de réseau établit deux supports (bearer) avec chacun des entités eNB ;
  • Option 3C : Le support est séparé par l’entité MeNB : Split Bearer

Figure 2 : Pile protocolaire DC 4G-4G

Le terminal UE ne dispose que d’une seule entité RRC.

Dans le cas de la double connexion 4G-4G, les deux options retenues parmi toutes les options possibles sont l’architecture 1A et 3C.

Pour l’option 1A, la séparation des flux est gérée au niveau du cœur réseau (SGW).

Pour l’option 3C, la séparation des données est basée sur le routage de support de données PDCP.

Figure 3 : Double Connexion 4G-4G

  1. DC 4G-5G : Déploiement NSA

Le mode de déploiement de la 5G s’appuiera en 2020 sur une double connectivité 4G-5G (mode NSA – Non Standalone Architecture). L’opérateur conserve le cœur de réseau 4G (EPC), la signalisation entre l’accès radio et le cœur de réseau est réalisée par l’entité eNB. On parle d’option 3

Remarque : si le cœur de réseau était 5G on parlerait alors d’option 7, tout chose égale par ailleurs.

Pour l’option 3, le terminal UE est sous le contrôle de la station de base 4G et lors de la demande de connexion radio avec la station de base eNB (LTE PCell), le terminal va être configuré pour monter un support radio NR avec la station de base gNB (dénommée en-gNb : E-UTRAN – NR gNB pour rappeler le mode DC).

Plan de contrôle : Sur l’interface radio, le terminal UE est contrôlé par l’entité eNB et en-gNB (par des messages RRC). La signalisation (CP : Control Plane) est échangée entre les deux stations de base via le lien backhaul X2.

L’application X2AP réalise plusieurs fonctions comme le rappelle la figure 4 :

Figure 4 : les fonctions supportées par l’application X2AP

Plan Utilisateur : Le terminal UE peut être connecté simultanément sur l’entité eNB et en-gNB pour le plan utilisateur ou uniquement avec l’entité en-gNB.

La fonction DC 4G-5G option 3 se décline en trois sous options (figure 4) en séparant le support au niveau de l’accès radio (split bearer) ou en créant un support au niveau du cœur de réseau (MCG ou SCG) :

  • option 3 : La séparation du support (split bearer) est réalisée par l’entité MeNB. Le trafic (UP : User Plane) est transmis à travers le lien X2 vers l’entité SgNB (Slave en-gNB) ;
  • option 3a : La création d’un bearer secondaire (SGC) s’effectue au niveau du cœur réseau (SGW) et le flux de données est transmis sur deux supports (bearer) complémentaires, l’un vers l’entité MeNB, l’autre vers l’entité SgNB ;
  • option 3x : La création d’un bearer est réalisée au niveau du cœur radio (SCG) et la séparation du bearer est réalisée par la station de base secondaire (SCG split bearer).

Figure 5 : Les options 3/7 vert à gauche, 3a/7a (en bleu), 3x/7x vert à droite du mode NSA

L’option 3x consiste à séparer le support DC au niveau de la station de base gNB. L’entité eNB peut conserver un ou plusieurs bearer avec le cœur de réseau (MCG bearer) ou ne gérer que la signalisation entre l’accès radio (eNB/en-gNb) et le cœur de réseau.

Dans le cas du split-bearer, les données sont distribuées ou dupliquées entre les deux nœuds radios. L’équilibrage de charge est réalisé de manière dynamique par le nœud d’ancrage (MeNB ou SgNB) en fonction du trafic, c’est-à-dire par l’entité PDCP du nœud d’ancrage (MeNB pour l’option 3 et SgNB pour l’option 3x).

Dans la suite, on appellera indifférent SgNb ou en-gNB.

L’interface radio-électrique LTE-M : 2ème article

Afin de réduire la signalisation, la procédure de mise à jour périodique de la localisation a été étendue et une nouvelle procédure de connexion radio a été proposée.

La procédure PTAU (Periodic Tracking Area Update) est périodiquement exécutée par un dispositif pour notifier auprès de l’entité MME de sa joignabilité sur le réseau d’accès radio 3GPP. Cette procédure est réalisée à l’expiration du Timer T.3412 lequel est ré-initialisé à chaque message NAS. Sa valeur par défaut est de 54 mn : la valeur du Timer T.3412 est transmise par le cœur réseau vers le mobile UE au cours de la procédure d’attachement ou lors de la mise à jour de la localisation en cas de changement d’indicateur de zone de tracking TAI.

Pour réduire ce message de signalisation, l’organisme de normalisation 3GPP propose d’étendre la temporisation périodique de localisation en augmentant la valeur du timer T.3412 (timer étendu).

Lorsque le terminal demande une connexion radio, la station de base eNB réalise une mise en sécurité des commandes NAS et une mise en sécurité de la transmission de données en échangeant. Ce contexte de mise en sécurité AS (Access Stratum) est sauvegardé au niveau du terminal UE et de la station de base eNB. L’établissement de ce lien permet au terminal de passer de l’état de veille à l’état connecté.

Pour éviter l’échange d’information AS chaque fois que le mobile souhaite passer du mode de veille au mode connecté, deux nouvelles requêtes RRC ont été introduites. Ces requêtes permettent de suspendre le lien radio et de passer en mode de veille tout en conservant le contexte AS au niveau du terminal et de la station de base. On dit alors que le terminal est à l’état Inactif (Inactive State) : Après une période d’inactivité, le terminal suspend sa transmission par le message RRC Suspend. La station de base eNB suspend alors la communication en relâchant le lien radio avec le terminal mais en conservant le contexte du terminal.

Le lien radio sera rétabli à l’initiative de la station de base (par une notification de paging) ou à l’initiative du terminal via la requête RRC Resume.

IV-1-c) La durée de vie de la batterie

Les terminaux IoT doivent pouvoir être connectés au cœur réseau sans la moindre recharge pendant plusieurs années. Cette autonomie s’obtient en apportant plusieurs mécanismes complémentaires au terminal comme le mode PSM (Power Saving Mode) défini dans la Release R.12 et l’évolution du DRX définie dans la Release R.13 (eDRX). Ces deux modes définissent une durée pendant laquelle le terminal éteint son interface radio dans le but de prolonger la durée de vie de sa batterie.

IV-2) L’interface radio LTE-M

Le réseau d’accès LTE-M hérite des canaux physiques du LTE-M. La bande totale du réseau LTE est divisée en bande étroite occupant chacune 6 PRB (soit 1.4 MHz) comme le montre la figure 3.

Figure 3 : La division de la bande LTE de 10 MHz en sous bandes étroites LTE-M de 1.4 MHz

Le nombre de sous bandes étroites dépendent de la bande LTE sur laquelle le réseau LTE-M s ‘adosse :

Table 1: La configuration des bandes étroites LTE-M

A l’instar de tous terminaux LTE, le terminal IoT écoute le centre de la bande du réseau d’accès LTE afin de récupérer les signaux de synchronisations et le message MIB transmis dans le canal de diffusion (PBCH)

Pour les terminaux IoT, les informations MIB sont transportées sur le canal physique MPBCH avec une périodicité de 10 ms. Un nouveau MIB est transmis toutes les 40 ms et par conséquent chaque MIB est répété 4 fois. Le nombre de répétitions peut être augmenté afin d’améliorer la couverture du canal MPBCH. Le nombre de répétitions est connu par le terminal via le paramètre CATMPR:mibRepEnabledCatM.

Figure 5 : La répétition du MPBCH

La station de base LTE-M transmet en plus des informations de signalisation SIB, lesquelles sont indiquées par le canal de diffusion MPBCH. Les informations SIB1-BR permet d’informer le terminal IoT du numéro de bande étroite exploité sur la bande LTE pour des communications sur le réseau d’accès LTE-M. Ainsi, en reprenant comme exemple le tableau 11.2, les communications sur l’accès radio LTE-M peuvent utiliser les 3 premières sous-bandes (NB1 à NB3) ou les trois dernières sous-bandes NB6 à NB8 : SIB1-BR indique les sous-bandes valides du lien descendant, et exclue automatiquement les 72 sous-porteuses centrales.

L’information DCI portée par le canal MPDCCH permet de transmettre :

  • les informations de séquencement DL (DCI Format 6-1A/6-1B dans le mode CE A/B ;
  • les commandes de contrôle de puissance du lien montant (DCI Format 3/3A) ;
  • les informations d’allocation de ressource pour le lien montant (DCI Format 6-0A/6-0B pour les modes CE A/B) ;
  • un indicateur de paging ou une mise à jour des informations de SI (DCI Format 6-2).

Les terminaux de catégorie CAT-M1 répondent aux spécifications proposées par le réseau d’accès LTE-M et les évolutions du cœur réseau.

  • Conclusion

Le marché du Wireless IoT est très concurrentiel : les opérateurs Orange et Bouygues ont déployé la solution LoRa pour ne pas laisser aux opérateurs Sigfox ou QoWiSio le marché du M2M en France. Orange a récemment ouvert un deuxième réseau d’objet connecté via l’accès radio 4G/LTE-M. Cela permet de répondre à des cas d’usage différents puisque le réseau d’accès LTE-M permet :

  • des débits de transmission plus important ;
  • des appels téléphonique via le mécanisme VoLTE ;
  • des accords de roaming avec les opérateurs pour le trafic
  • des accords de roaming avec les opérateurs ayant déployé l’entité d’interfonctionnement IWK-SCEF pour les notifications

Les solutions LoRa propose des accords de roaming entre opérateurs (LoRAWAN 1.1) cependant, le dispositif doit pouvoir se caler sur le plan de fréquence du pays visité. Cette solution a été mise en œuvre par Sigfox par le mécanisme MONARCH.

L’opérateur SFR est aussi présent sur le marché via un accord commercial avec SIGFOX mais SFR ouvre le réseau d’accès NB-IoT.

Ces informations ont été recueillies à partir de la formation SE26 de la société NEXCOM Systems (https://www.nexcom.fr/formation/comprendre-le-deploiement-de-la-4g-m2m-lte-m-mtc-pour-liot/). Cette formation présente les évolutions de l’interface radio et les canaux logiques/physiques, notamment les impacts sur les canaux physiques (MPBCH, MPRACH, MPDCCH/MPUCCH, MPDSCH/MPUSCH) et de synchronisation (PSS, SSS). Vous pouvez contacter formation@nexcom.fr pour obtenir des informations sur le contenu des formations qu’ils proposent, en indiquant que vous avez découvert leur formation à travers ce blog.

L’interface radio LTE-M – 1er article

L’accès radio LTE a initialement été conçu pour optimiser les communications à haut débit (MBB : Mobile BroadBand, mobiles larges bandes) en prenant en compte une mobilité élevée et une latence faible pour le transport des données (10 ms). Les exigences en termes de performances 4G sont encore mesurées à ce jour par le débit maximum et la réduction de la latence sur le plan de transport (UP : User Plane).

Le marché de l’Internet des Objets a longtemps été supporté par le réseau GPRS. Cela s’explique par le faible coût des modems GPRS comparé aux modems 4G. Toutefois, les performances de l’accès radio LTE sont attractives :

  • meilleure efficacité spectrale ;
  • disponibilité de l’interface radio pour du long terme ;
  • couverture globale.

De par ses atouts, une optimisation du lien radio LTE et du cœur réseau (MTC : Machine Type Communication) sont mises en œuvre pour répondre aux spécificités du marché de l’IoT.

Les optimisations portent sur :

  • le contrôle de la congestion et la maximisation de la capacité de la cellule ;
  • la réduction de la signalisation 4G ;
  • l’augmentation de la durée de vie de la batterie ;
  • l’augmentation de la Couverture.

De surcroît, pour devenir compétitif sur le marché de l’IoT, une réduction importante du prix des modems LTE est nécessaire. Dans la Release R.13, l’organisme 3GPP propose une simplification des terminaux en définissant deux nouvelles catégories de terminaux sous l’appellation cat-M1 et cat-NB1.

IV-1) Les améliorations sur l’interface radio

Le réseau d’accès doit pouvoir supporter un très grand nombre de terminaux (mMTC massive MTC) tout en conservant une QoS (Quality Of Service) pour les communications humaines. Pour répondre à cet impératif :

  • des procédures de contrôle de congestion et le paramétrage d’objets tolérants au délai permet d’optimiser le fonctionnement du réseau tout en différenciant la requête de service émise par le terminal UE ;
  • des procédures de réduction de la signalisation permet d’optimiser le plan de signalisation.

De plus, les terminaux IoT doivent obligatoirement avoir une autonomie de plusieurs années, ce qui nécessite de mettre en œuvre des mécanismes de gestion d’énergie (DRX – Discontinuous Reception et PSM – Power Saving Mode) en contrepartie d’une latence élevée (HL Com High Latency Communication).

IV-1-a) Le contrôle de la congestion

La saturation du réseau peut se produire :

  • Au niveau de l’interface radio lorsque de nombreux terminaux se connectent ou tentent de se connecter simultanément vers la même station de base eNB ;
  • Au niveau du cœur réseau EPC (Evolved Packet Network) : la congestion peut se produire au niveau de l’entité MME pour la signalisation ou au niveau des entités SGW/PGW pour le trafic. L’entité MME peut être fortement sollicitée lorsque le nombre de terminaux établissant une communication NAS est élevé. Pour réduire sa charge, l’entité MME contrôle principalement la congestion avec les entités eNB.

Pour gérer de manière sélective la congestion sur l’interface radio, la Release R.10 introduit un indicateur de faible priorité (LAPI : Low Access Priority Indicator) destiné aux terminaux IoT. Cet indicateur est implémenté dans les dispositifs soit au cours de leur fabrication, soit lors du provisionnement via l’interface radio par le mécanisme OTA (Over The Air). Lorsque le terminal fait sa demande de connexion radio, il transmet au cours de la requête RRC_Connection_Request la cause de sa demande (delay tolerant). En cas de saturation de la station de base eNB, celle-ci rejette la demande de connexion en demandant au terminal, dans le message RRC_Connexion_Reject, d’attendre jusqu’à 30 mn avant de refaire une nouvelle demande de connexion radio (Extended Wait Time).

Dans la Release 11 l’entité eNB contrôle la congestion via l’interface LTE-Uu en diffusant un message d’information SIB 14.

Le message diffusé par le SIB14 transporte une information de restriction de cellule (EAB : Extended Access Barring). Ce message est destiné à interdire aux terminaux de faible latence (LAPI) toute demande de requête de service. Afin de prendre connaissance de la modification du SIB14, les terminaux configurés avec l’identifiant LAPI reçoivent une notification par la procédure de paging les informant d’écouter le message d’information SIB14 diffusé par la station de base eNB. La procédure EAB ne concerne donc qu’une partie des terminaux.

Ce nouveau mécanisme offre deux avantages : Le premier avantage est la réduction de la signalisation au niveau de la station de base eNB, le deuxième avantage est une réduction de la puissance consommée par le mobile UE.

Evolution de l’architecture du réseau 4G pour le M2M : AESE – Part 2

(Suite de l’article précédent)

2) La procédure de déclenchement

La procédure de déclenchement a été proposée dans la recommandation technique de la release R.10 afin de permettre à un dispositif IoT de répondre à une sollicitation du portail client (SCS). La procédure de déclenchement de dispositif est normalisée dans la release R.11 et nécessite une première phase d’enregistrement de la part du serveur SCS auprès de l’entité SCEF ou MTC-IWF avec comme droit d’émettre des requêtes de réveil (Trigger Request). La phase d’enregistrement a pour but de créer un identifiant de transaction et les droits de requêtes formant ainsi une entrée dans la table de contexte de l’entité MTC-IWF/SCEF à laquelle se rajoute l’identifiant du ou des dispositifs à réveiller. Le dispositif peut s’identifier à partir de son numéro MSISDN, d’un identifiant externe sauvegardé sur le serveur MTC AAA de l’opérateur ou d’un identifiant de groupe.

Dans les spécifications 3GPP de la Release 11, l’entité SCS contacte l’entité MTC-IWF via une requête DIAMETER afin que ce dernier puisse réveiller le dispositif. Lorsque l’entité MTC-IWF reçoit une demande de réveil, il contacte d’abord la base de données HSS (ou le HLR) afin de convertir l’identité publique en une identité interne au réseau opérateur (identifiant IMSI). L’entité HSS/HLR peut éventuellement contacter un serveur d’authentification MTC-AAA pour convertir une identité externe en un numéro IMSI. Si l’identité de l’UE MTC est reconnue, l’entité MTC-IWF récupère les informations de souscription du afin de mettre en relation le portail client SCS avec le dispositif.

L’entité MTC-IWF définit la méthode de réveil la plus adéquate sur le plan de contrôle pour déclencher une mesure au niveau du dispositif à partir des informations suivantes :

  • Les informations actuelles d’accessibilités de l’UE (sur quel réseau l’UE est situé, et sur quel zone) ;
  • Les méthodes de déclenchement de service supporté par le réseau HPLMN ou VPLMN ;
  • Les méthodes de déclenchement supportées par l’UE ;
  • Les politiques de déclenchement de réveil de l’opérateur ;
  • Autres informations reçues de la part du serveur SCS dont potentiellement la localisation du dispositif si celle-ci est connue. La localisation permet d’optimiser le paging à la cellule et non à la zone de localisation TAI (Tracking Area Identifier).

Les méthodes de réveil possible sont :

  • MT SMS. L’UE doit pouvoir reconnaître dans le message un MT SMS provenant du SCS ;
  • Cell Broadcast : La procédure Cell Broadcast permet de réveiller un dispositif UE en émettant des informations sur les SIB portés par le canal balise ;
  • Signalisation NAS ;
  • Messages IMS.

De manière plus explicite, la figure 3 présente le call flow de la procédure de déclenchement. On suppose que le serveur SCS s’est préalablement enregistrée auprès de l’entité MTC-IWF et au cours de la procédure d’enregistrement, le portail client SCS a associé le dispositif UE à réveiller. L’entité SCS connait l’adresse IP de l’entité MTC-IWF, dans le cas contraire, le portail client SCS fait une requête DNS.

La demande de réveil est initialement déclenchée par une API provenant du serveur d’application Client vers l’entité SCS (non présente sur le call-flow). L’entité SCS transmet le message Request Device trigger à l’entité MTC-IWF (éventuellement après une requête DNS) dans la commande DIAMETER DAR (Device Action Request) à travers l’interface Tsp.

Le message DAR contient les informations suivantes (AVP) :

  • Le type de message : Device Trigger Request
  • Le MSISDN ou une identité externe correspondant à l’UE MTC à réveiller
  • L’identité du SCS qui émet la requête.
  • Un numéro de référence de la demande de requête de réveil
  • Les données de Trigger contenant données à transmettre à l’UE MTC lors de la demande de réveil comme :
  • Priorité du trigger
  • L’identification du port de l’application à exécuter au niveau du dispositif
  • Une durée de validité du message de réveil. Un temporisateur est déclenché au niveau du MTC-IWF qui reçoit le message DAR.

Figure 2. Call Flow d’un réveil de dispositif par SMS

L’entité MTC-IWF peut interdire ou autoriser la requête de réveil à partir de l’identité du serveur SCS si le serveur SCS n’est pas reconnu ou si le serveur SCS a dépassé le nombre de requêtes autorisées.

La durée de validité permettra à l’entité MTC-IWF de savoir si le dispositif sera joignable avant la fin du temporisateur. L’entité MTC-IWF aura besoin de connaitre la durée pendant laquelle le dispositif est soit à l’état dormant, soit en mode de veille avant la prochaine écoute de paging (Paging Occasion). Si le dispositif ne peut pas être réveillé pendant la durée de validité du message de réveil, alors l’entité MTC-IWF retourne un rapport d’erreur dans le message DAA.

L’entité MTC-IWF contacte l’entité HSS (éventuellement après une résolution HSS via la fonction de localisation SLF). A la réception de la requête DIAMETER SIR, l’entité HSS réalise les opérations suivantes :

  • Correspondance entre le numéro publique (MSISDN ou identité MTC externe) avec l’identité privée IMSI du dispositif ;
  • Récupère -si le dispositif est enregistré- le nœud de service actuel du dispositif (soit l’entité MME, l’entité SGSN, ou l’entité MSC) ;
  • Vérifie les droits de souscriptions du dispositif en correspondance avec l’identification du serveur SCS pour valider ou non la requête de réveil.

L’entité HSS répond à l’entité MTC-IWF par la requête SIA avec les éléments suivants :

  • Le nœud de service (MSC, SGSN, SGW) actuel du dispositif ;
  • Renvoie le statut du dispositif (UE State Information) permettant de savoir si le dispositif est à l’état connecté, de veille, ou non enregistré (absent). Cette information est apportée par le HSS ;
  • Le ou les mécanismes supportés par le dispositif (information apportée par le HSS) ;
  • Les capacités de services offertes par le réseau de l’opérateur Home (framework implémenté dans le MTC-IWF) et éventuellement par l’opérateur visité en cas de roaming ;
  • Autres informations transmises par le SCS (localisation du dispositif, demande de réveil groupé, …).

A partir des informations reçues, l’entité MTC-IWF sélectionne le mécanisme pour transmettre la requête de réveil au dispositif le plus efficace (SMS, Cell Broadcast, …) et génère un ticket de taxation.

L’entité MTC-IWF sélectionne la méthode SMS pour réveiller le dispositif. Il émet au serveur SMC-SC (SMS Service Center) la requête DTR.

Le message DTR contient :

  • le numéro IMSI du dispositif et éventuellement le MSISDN si le MTC-IWF le connait (si le SCS a donné l’identité MSISDN au MTC-IWF et non un identifiant MTC externe) ;
  • l’identité de l’entité SCS ;
  • l’identité du nœud de service (SGSN, MSC ou MME) si connu ;
  • le statut du dispositif ;
  • le numéro de référence de la demande de requête de réveil ;
  • la durée de validité du message de réveil ;
  • la Priorité du trigger ;
  • l’identification du port d’application du SMS.

Une fois le message DTR reçu, si le dispositif est joignable le centre de service SMS (SMS-SC) n’a pas besoin de contacter l’entité HSS. Il doit néanmoins :

  • vérifier l’identité du dispositif (IMSI ou MSISDN). Si l’UE n’est pas reconnu (DIAMETER_ERROR_USER_UNKNOWN) ;
  • vérifier l’identité du SCS. Si l’identité du SCS n’est pas reconnu (DIAMETER_ERROR_INVALID_SME_ADDRESS) ;
  • Router l’information vers le nœud de service (SGSN, MSC ou MME). Il renvoie alors l’information DIAMETER_SUCCESS à l’entité MTC-IWF.

Si le dispositif est non enregistré (absent), le centre SMS-SC va stocker le message et envoyer une notification à l’entité HSS (SM Message Delivery Status Report) afin que l’entité HSS rajoute l’adresse du centre SMS-SC dans la liste des messages d’attentes. Ainsi, lorsque le terminal MTC UE fera une demande d’attachement, il prendra connaissance du trigger.

Le centre SMS-SC renvoi le résultat de la demande DTR dans le message DTA. Le code de résultat AVP indique si la requête est acceptée (SUCCESS) ou refusée (FAILURE) avec le code d’erreur correspondant :

  • congestion du SMS-SC ;
  • adresse SME non valide ;
  • erreur de protocole SM.

A ce stade, l’entité MCT-IWF acquitte le message DAR par la réponse DAA, ce qui confirme que la demande de réveil a bien été transmise au SMS-SC.

Le message DAA contient :

  • le numéro de référence de la demande de requête de réveil ;
  • l’état du statut de la requête de réveil.

Si la requête est acceptée, le centre SMS-SC envoie le SMS vers le MTC UE et attend la notification de SMS. Cette notification est transférée du SMS-SC vers l’entité MTC-IWF dans le message DIAMETER DRR (Delivery Report Request) et l’entité MTC-IWF répondra au SMS-SC par la réponse DRA (Delivery Report Answer).

Le message DRR transmet le rapport de succès ou d’échec de transfert su Trigger par SMS, il contient les informations suivantes :

  • l’identité IMSI de l’UE et éventuellement le MSISDN ;
  • l’identité du SCS ;
  • le résultat de la requête :
  • Client Absent
  • Mémoire de l’UE remplie
  • Transfert réussi.

L’entité MTC IWF informe l’entité SCS de la réception du SMS de la part de l’UE. L’entité MTC-IWF envoie le message DIAMETER DNR (Device Notification Request) au serveur SCS et attend la réponse DNA (Device Notification Accept)

Le DNR contient les informations suivantes :

  • le MSISDN ou l’identité externe du dispositif ;
  • l’identité du SCS qui a fait la demande de réveil ;
  • le numéro de référence de la demande de requête de réveil ;
  • la réponse à la demande de réveil.

L’entité SCS acquitte la réception de cette requête en répondant par le message DIAMETER DNA.

Enfin, l’entité MTC-IWF répond à la requête DRR émis par le SMS-SC par la réponse DRA, informant ainsi le SMS-SC d’un succès ou d’une erreur sur l’interface T4.

Evolution de l’architecture du réseau 4G pour le M2M : AESE

1) Le cœur réseau 4G/EPC pour les communications machines MTC (Machine Type Communication)

En s’appuyant sur la spécification de l’ETSI, l’organisation 3GPP propose au niveau du cœur réseau EPC une nouvelle entité nommée SCEF (Service Capability Exposure Function) ou MTC-IWF (InterWorking Function). L’entité SCEF est connectée au portail client (SCS – Service Capacity Server) par une interface API proposée par l’opérateur (interface T8) alors que l’entité MTC-IWF est connectée au portail client par le protocole DIAMETER. L’architecture évolue particulièrement autour du SCEF (AESE Architecture Enhancement for Service capability Exposure).

Figure 1 : Les entités et les interfaces liées au MTC-IWF et SCEF en R.13 et R.14

L’entité SCEF supporte la demande d’échange de données entre le serveur et les terminaux IoT mais elle supporte en plus la supervision d’événements même en cas d’itinérance (roaming).

Les rôles de l’entité SCEF sont :

  • Authentification et l’autorisation d’une requête du SCS ;
    • Identification du SCS ;
    • Gestion des listes d’accès (ACL : Access Control list);
  • Gère les frameworks pour apporter des capacités du service du réseau 3GPP au SCS ;
  • Masque le réseau opérateur ;
  • Configure les événements à surveiller et récupère les événements ;
  • Gère les politiques de priorité et de capacité du réseau opérateur (évite la saturation des nœuds de service) ;
  • Génère des compte-rendu d’appels (CDR) pour la taxation.

En cas d’itinérance, l’entité SCEF du réseau home possède une interface avec l’entité IWK-SCEF (InterWorKing SCEF) du réseau visité.

L’entité IWK-SCEF est optionnelle. Elle est située dans le réseau visité pour dialoguer avec l’entité SCEF du réseau Home via l’interface T7. L’entité IWK-SCEF relaie les données non IP entre l’entité MME et l’entité SCEF. Si le réseau visité ne déploie par d’entité IWK-SCEF alors le dispositif devra établir une connexion PDN avec le routeur de passerelle PGW pour pouvoir transmettre ou recevoir des données.

L’entité MME évolue pour pouvoir gérer de façon efficace la création de tunnel entre le terminal et le serveur d’application. Le tunnel est créé soit sur le plan utilisateur (eNB/SGW/PGW), soit sur le plan de contrôle (eNB/MME) suivant l’évolution du réseau opérateur (User Plane EPS evolution et/ou Control Plane EPS evolution)

La formation SE26 présente en détail l’évolution du réseau pour les communication machines, le rôle des entités, les interfaces et les procédures permettant :

  • l’attachement du terminal avec l’optimisation sans PDN ;
  • l’établissement et le rétablissement des supports ;
  • la supervision d’évènements ;
  • la procédure de déclenchement (Trigger device) ;
  • la transmission NIDD (Non IP Data Delivery) ;
  • la transmission de messages en unicast ou en groupes.

 

Architecture du réseau M2M

Cet article est la suite des deux précédents :

  1. http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2019/02/15/iot-blockchain-ia-machine-learning-des-technologies-disruptives/
  2. http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2019/03/18/iot-bigdata-ia-un-monde-100-connecte-pour-les-systemes-cyber-physique-cps/
  • Architecture du réseau M2M

L’architecture générique du réseau M2M a été spécifiée par l’institut ETSI qui a défini les fonctions de bases pour pouvoir échanger des données entre un objet et un serveur. Cette architecture s’appuie sur un ensemble de fonctionnalités logicielles déployées dans un framework.

Le but du framework est de décrire les services qui permettent de gérer l’objet : enregistrement, authentification, récupération des données de manière périodique ou par une méthode de réveil, accessibilité de l’objet, localisation, type de réseau supporté, … Les applications sont réunies dans une bibliothèque logicielle générique prenant en charge l’objet quel que soit le réseau de connectivité, auxquelles se rajoutent des applications spécifiques permettant de gérer les caractéristiques de chaque réseau de connectivité. On parle de Capacité du réseau (ou service capabilities), les fonctionnalités proposées par le réseau d’accès et gérées par le framework.

L’architecture du réseau M2M se décompose en trois parties :

  • Le domaine d’application ;
  • Le domaine des réseaux ;
  • Le domaine des dispositifs ;

Figure 1. L’architecture fonctionnelle du M2M

Le domaine des dispositifs est composé des éléments suivants :

Le domaine des réseaux gère la connectivité de l’objet. Cela suppose l’enregistrement de l’objet, la gestion du plan de transport (établissement d’un tunnel pour la Data),  la gestion de la mobilité, la gestion de la qualité de service et la facturation. Le domaine des réseaux se découpent en trois parties :

  • Réseau d’accès : Il s’agit d’une connexion soit en tout IP via un support en cuivre, un support optique, un lien cellulaire (GPRS, 4G, WiMax), lien satellitaire ou d’une connexion non IP via le réseau GSM ;
  • Cœur réseau : Il fournit les fonctions comme la connectivité (IP ou SMS), les fonctions de contrôle du réseau (qualité de service) et l’autorisation du service demandé ;
  • Les capacités de Service (M2M Service Capabilities). Il fournit les fonctions M2M qui sont offertes aux serveurs d’applications client via des interfaces ouvertes (API) en s’appuyant sur les fonctionnalités du cœur réseau à travers les interfaces normalisées (Gx,Gi) ;

Le domaine d’application est composé :

  • D’un serveur d’application client (AS)
  • D’un portail client qui fournit des fonctionnalités au client.

La première fonctionnalité du portail client consiste à inscrire l’objet  via une interface https. L’étape de provisioning consiste à enregistrer le n-uplet identifiant(s) dispositif(s), clé(s) privée(s) et identifiant(s) applicatif(s)  dans le cœur réseau de l’opérateur. Cette étape est partiellement réalisée par l’opérateur pour le réseau cellulaire et entièrement réalisée par le client dans le cas du réseau LoRa.

Les autres fonctionnalités sont proposées au client par une interface API permettant au client d’accéder à un serveur de données dont le rôle est de stocker les informations fournies par l’objet ou par le réseau. En général le client se connecte via le protocole http (API REST), ou un protocole plus léger comme le protocole MQTT, XAP, XMPP ou COAP. La demande d’accès est contrôlée par un jeton d’authentification (Token) transmis au moment de la requête http. Le client doit donc activer un compte auprès de l’opérateur (lors de la première étape) pour utiliser une ou plusieurs API. Chaque API est associée à un jeton (comme par exemple, l’identifiant APPEUI pour LoRa).

Au niveau du portail client, l’opérateur dispose en plus :

  • d’outils de supervision du réseau et des sauvegardes de logs ;
  • des bases de données contenant les informations de souscriptions de chaque client : identité et clé privée de chaque objet pouvant s’enregistrer sur le réseau ainsi que les règles à appliquer pour chaque objet et les droits (les jetons d’authentification) ;
  • d’un serveur de facturation et de gestion de la politique des droits;

IoT, BigData, IA : Un monde 100% connecté pour les systèmes cyber-physique (CPS)

Dans le précédent article, j’ai évoqué différentes technologies complémentaires, sans illustrer par des exemples concrets les applications attendues. Je vais présenter dans cet article la notion de système cyber-physique (CPS : Cyber Physical System).

Un système cyber-physique est un système bouclé qui intégre la remonté d’informations issues de capteurs physiques via des réseaux de connectivités vers un serveur de décision lequel par une boucle de rétroaction contrôle les processus physique.

(image issue du site suivant : https://smart-industries.fr/fr/challenges-et-opportunites-des-systemes-cyber-physiques)

Le serveur décisionnel permet de superviser les processus physiques, les commander et de faire de la détection de fautes afin de planifier une réparation avant l’apparition de défaut. On parle alors de reconfiguration ou de ré-organisation dynamique.

Un système de production CPPS (Cyber Physical Production System) concernent la coopération entre sous-systèmes autonomes afin de reconfigurer dynamiquement une chaîne de production. A titre d’exemple, une chaîne de fabrication est caractérisée par un ensemble de flux comme :

  • une prévision à la demande (flux poussée : on planifie les ressources dont on aura besoin lors de la conception d’un produit) ;
  • une prévision en temps réel (flux tirés : on commande à la demande pour satisfaire le besoin);
  • une prévision au plus juste de la demande (flux tendus)

L’objectif est donc de mesurer en temps réel le stock existant, de prévoir la commande en prenant en compte les délais d’approvisionnement et en fonction de la demande du produit, de reconfigurer la chaîne de production à la volée en cas de défaut d’un élément afin de maintenir l’activité de la chaîne de production. A cela, le système CPSS vise à prendre en compte d’autres paramètres comme :

  • le coût fluctuant de la matière première
  • le coût de l’énergie ou l’équilibrage de la consommation/production d’électricité

afin de réduire le coût énergétique (énergie verte).

C’est dans cette vision d’optimisation de la logistique, de la consommation énergétique que s’inscrit l’industrie 4.0 (e-usine ou smart-factory : les usines intelligentes).

Un autre exemple est le chargement/déchargement de cargo. Aujourd’hui, les opérateurs déploient des solutions de tracker sur les conteneurs. Ces solutions doivent fonctionner tout autour de la terre, ainsi on peut citer comme technologies qui nous intéressent ici le réseau d’accès LTE-M et NB-IoT. Ce dernier est plus adapté pour de faible quantité d’information. En dehors du blog, on peut aussi citer l’exemple MONARCH de Sigfox qui permet de réaliser le roaming vers les pays qui sont couverts par cet opérateur.

Rajoutons maintenant une connectivité sur les grues et les véhicules guidés (AGV : Automatic Guided Vehicule) et revenons à notre exemple : les ports de futur.

On peut ainsi imaginer une communication entre les grues, les véhicules, les conteneurs, et un serveur centralisé (fog) qui orchestre toute la logistique permet ainsi de réduire la durée d’attente de chargement ou déchargement.

Le déploiement d’antennes 4G et 5G à l’intérieur des entreprises (exemple de DAS : Distributed Antenna System) permettront de commander automatiquement les chariots élévateurs en fonction de toutes les informations recueillies et traitées (Big Data) comme les produits finis, les stocks en cours, …

A moins que … ce soient les machines qui commandent les hommes?

https://www.francetvinfo.fr/economie/emploi/video-cash-investigation-travail-vis-ma-vie-de-manutentionnaire-chez-lidl_2381539.html

Il faudra que je pense à écrire un article sur : Faut il avoir peur des nouvelles technologies?