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.

Dual Connectivity : La Double Connectivité

I) Introduction

La double connectivité (DC : dual connectivity) est une évolution fondamentale de la norme 4G. Celle-ci est définie dans la release R.12 et elle doit être comprise pour deux raisons principales :

  • le fonctionnement du mécanisme DC est exploité par les mécanismes LWIP et LWA ;
  • la double connectivité sera mise en œuvre pour le déploiement de la 5G en mode non autonome (NSA : non standalone). La double connectivité fait donc parti des mécanismes transitoires vers la 5G.

La double connectivité signifie que le mobile UE va établir simultanément deux supports radios (RAB : Radio Access Bearer) avec deux stations de bases. Ces stations de bases peuvent être des entités eNB pour la 4G et à terme, on parle de double connectivité entre une station de base eNB (ou ng eNB) et une station de base gNB (station de base 5G). La station de base ng eNB est une station de base 4G évoluée qui communique avec le cœur réseau 5G (le cœur réseau 5G se nomme 5GC).

II Explication de la double connectivité

La double connectivité différencie le plan de contrôle (control plane) et le plan de transport des données, c’est-à-dire le plan utilisateur (user plane). Lorsque le mobile UE veut établir un support EPS (EPS bearer) il commence par demander l’établissement d’un support de signalisation radio (SRB : Signalling Radio Bearer) avec une station de base eNB. Cette station de base eNB sera nommée par la suite entité MeNB (Master eNb). L’échange de signalisation (couche RRC) s’effectuera entre le mobile UE et la station de base MeNB.

Figure 1 : Le plan de contrôle pour la double connectivité

 

La double connectivité suppose l’établissement de deux supports radios (RAB) : un support radio avec l’entité MeNB et un support radio avec une deuxième station de base eNB nommée SeNB. Les deux stations de bases MeNB et SeNB impliquées dans la double connectivité doivent impérativement avoir une interface X2.

Les fonctions du MeNB sont les suivantes :

  • établir un support data radio entre la station de base MeNB et le mobile UE ;
  • échanger des informations de contrôle avec une station de base SeNB (Secondary eNB) ;
  • établir un support data radio entre la station de base SeNB et le mobile UE ;
  • récupérer les mesures radios de l’UE correspondant à la station de base MeNB et la station de base SeNB (dans le cas de la station de base SeNB les mesures sont transmises via l’interface X2 entre le SeNB et le MeNB) ;
  • échanger des informations de contrôle avec le MME ;
  • demander l’établissement, via le MME, d’un support S1 entre le MeNB et le SGW sur l’interface S1-U U entre la station de base MeNB et l’entité SGW;
  • éventuellement, demander l’établissement via le MME, d’un support S1 entre le SeNB et le SGW sur l’interface S1-U entre la station de base SeNB et l’entité SGW;
  • contrôler le handover entre le mobile UE et la station de base SeNB
  • contrôler le handover entre le mobile UE et la station de base MeNB, et dans ce cas, libérer le RAB avec le SeNB

Concernant le plan de transport, il existe sept architectures DC différentes reposant sur le principe d’ancrage du support soit au niveau de la station de base MeNB, soit au niveau de l’entité SGW : Deux supports radios sont établis entre le mobile UE et avec chacune des stations de base (MeNB et SeNB) et un support S1-U est établi entre la station de base MeNB et l’entité SGW. Un deuxième support S1-U peut être établi entre la station de base SeNB et l’entité SGW.

Chaque station de base eNB (MeNB et le SeNB) gère le trafic de manière autonome sur les sous-couches MAC et RLC de la couche 2 et chacun station de base eNb gère sa couche physique.

Ainsi, une fois la signalisation échangée entre le mobile UE et la station de base MeNB (couche RRC) et une fois l’établissement des supports radios, les 7 architectures sont les suivantes :

  • Architecture 1A : un support S1-U est établi entre la station de base MeNB et l’entité SGW et un support S1-U est également établi entre la station de base SeNB et l’entité SGW. Au niveau du SeNB, le flux est géré par la couche PDCP du SeNB indépendamment du MeNB
  • Architecture 2 : Au moins deux supports S1-U sont établis entre l’entité SGW la station de base MeNB. L’un des supports sera associé au support radio du MeNB, le deuxième support sera associé au SeNB. Aucun support S1-U n’est établi entre l’entité SGW et la station de base SeNB. La séparation des supports est à la charge du SGW et le MeNB va gérer la redirection du trafic vers le SeNB :
    • Architecture 2A : La redirection du flux est routée du MeNB vers le SeNB. Le flux est donc pris en charge par la sous-couche PDCP de la station de base SeNB.
    • architecture 2B : La redirection du flux est gérée par la couche PDCP de la station de base MeNB et envoyé à la sous-couche RLC de la station de base SeNB. C’est donc le MeNB qui gère le chiffrement des données;
    • architecture 2C : La redirection du flux est gérée par la couche RLC de la station de base MeNB vers la sous-couche RLC du SeNB. La sous-couche RLC de la station de base est configuré en mode transparent, le contrôle et l’acquittement des trames est effectuée au niveau de la station de base SeNB.
  • Architectures 3A/3B/3C se differencient des architectures 2A/2B/3C par le fait que la commutation des supports est à la charge de la station de base MeNB. Le SGW établi au moins un bearer radio S1-U avec le MeNB. Le ou les supports S1-U sont séparés au niveau de la station de base MeNB
    • Architecture 3A : une partie des paquets est transmis vers la sous-couche PDCP de la station de base MeNB, l’autre partie vers la sous-couche PDCP de la station de base SeNB
    • Architecture 3B : L’ensemble des paquets est traité par la sous-couche PDCP de la station de base MeNB, une partie des paquets est ensuite transmise vers la sous-couche RLC de la station de base MeNB, l’autre partie vers la sous-couche RLC de la station de base SeNB
    • Architecture 3C : L’ensemble des paquets est traité par la sous-couche PDCP de la station de base MeNB et transféré à la sous-couche RLC de la station de base MeNB. Une partie des paquets est dirigé vers la sous-couche RLC de la station de base secondaire SeNB, la sous-couche RLC de la station de base SeNB fonctionne en mode transparent .

Les architectures 2 et 3 ont l’avantage d’être transparentes pour le cœur réseau CN, la gestion de la mobilité est donc réalisée uniquement au niveau de la station de base MeNB, ce qui simplifie la signalisation avec le cœur réseau, surtout si on considère les stations de base secondaire SeNB comme des petites ou micro stations de base.

L’architecture 3C présente l’avantage de laisser la station de base MeNB gérer la séparation des supports S1-U. Cette fonction dévolue à la station de base MeNB lui permet, à partir de la connaissance de la qualité du lien radio (CQI : Channel Quality Indicator)  du support RAB entre le mobile UE et la station de base MeNB, ainsi que le CQI entre le mobile UE et la station de base secondaire SeNB d’ordonnancer de manière optimale les flux IP ce qui permet d’améliorer le débit au niveau du mobile UE.

L’architecture 1A a l’avantage de ne pas surcharger le réseau de transport backhaul contrairement aux architectures 2 et 3. L’opérateur doit en effet sur-dimensionner son réseau de transport par un facteur 3 lorsqu’il choisit de déployer les architectures 2 ou 3.

Au final, seules les architectures 1A et 3C ont été retenues pour la double connectivité. L’architecture 3C est plus fexible pour gérer la mobilité et le handover par rapport aux architectures 3A et 3B.