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.

Le réseau 5G – 5GS

Le réseau 5G (5G System) se compose d’un accès Radio (NG-RAN : Next Generation RAN) et d’un cœur réseau (5G Core).

I. L’accès radio 5G

L’accès radio 5G est constitué de stations de base de nouvelle génération qui forment le nœud de connexion des mobiles avec le cœur réseau 5G (5GC)

Les mobiles UE communiquent avec les stations de base soient par un lien radio 5G, soit par un lien radio 4G. Si la communication est en 5G, la station de base se nomme gNB (next Generation Node Base Station), si la communication est en 4G, la station de base est une station de base 4G eNB évoluée pour s’interconnecter avec le cœur réseau 5G. La station de base se nomme ng-eNb (Next Generation eNb).

Les fonctions de la station de base gNb sont  assez similaires avec l’entité eNB. Cependant, les différences concernent la gestion de la qualité de service par flux et non par support (bearer) et la gestion des tranches de réseau (Slices) sur l’interface radio.

Pour rappel, un slice est composé d’instances logiques du réseau mobile permettant d’apporter un service réseau de manière efficace en vue de répondre à une qualité de service QoS spécifique à ce service (se référer à l’article Network Slicing).

II. Le cœur réseau 5G (5GC)

Le cœur réseau 5G est adapté pour la virtualisation du réseau et s’appuie sur le découpage du plan de contrôle (Control Plane) et du plan utilisateur (User Plane) définit dans l’architecture CUPS.

Ainsi, l’entité MME qui gère à la fois l’attachement des mobiles, la localisation et la création des supports (bearers) se décompose en deux entités fonctionnelles en 5G :

  • L’entité AMF (Access and Mobility Managmenent Function). L’entité AMF établit une connexion NAS avec le mobile UE et a pour rôle d’enregistrer (attachement) les mobiles UE et de gérer la localisation des mobiles sur le réseau 3GPP et/ou non 3GPP.
  • L’entité SMF (Session Management Funtion). L’entité SMF permet de contrôler les sessions PDN. L’entité SMF est choisie par l’entité AMF puisque l’entité AMF  gère la signalisation NAS avec le mobile. L’entité SMF est responsable de la gestion du plan de contrôle. Autrement dit, l’entité SMF correspond à l’entité SGW-C et PGW-C de l’architecture CUPS. L’entité SMF a une interface avec l’entité qui gère la politique des flux (PCF : Policy Charging Function).

Le plan de transport est composé de passerelle de données qui réalise des mesures sur les données transportées et réalise l’interconnexion avec les réseaux Data (PDN). Dans l’architecture CUPS, les fonctions du plan de transport sont gérées par les entités SGW-U et PGW-U. Pour le cœur réseau 5G, les fonctions du plan de transport sont à la charge de l’entité UPF (User Plane Function). L’entité UPF communique avec l’entité SMF par l’interfae Sx et selon le protocole PFCP. Se référer à l’article présentant l’architecture CUPS.

L’entité PCRF de l’architecture 4G permet de définir les règles de contrôle et les politiques de flux avec l’entité SGW/PGW. En 5G, l’entité PCRF se renomme PCF et permet de contrôler les flux à la fois au niveau de l’entité SMF mais également au niveau de l’entité AMF afin de pouvoir apporter une meilleure granularité sur les flux autorisés en prenant en compte la localisation du mobile UE.

Le profil utilisateur (son abonnement, ses droits, …) sont sauvegardées dans une base de données UDR accessible via l’entité UDM (Unified Data Management). L’entité UDM conserve les profils de sessions de données (sessions PDU) et de l’entité AMF sur laquelle est attachée le mobile UE (éventuellement les entités AMF pour un accès 3GPP et non 3GPP sur un autre opérateur).

L’enregistrement du mobile nécessite une double authentification réalisée au niveau de l’entité AMF et du mobile UE à partir de vecteurs d’authentifications fournies par l’entité AUSF (AUthentication Server Function).

Enfin, l’entité NSSF (Network Slice Selection Function) est une entité permettant d’assister l’entité AMF de la sélection des instances logiques du réseau pour une tranche de réseau (slice) défini.

La figure 1 présente l’architecture 5G et les interfaces entre chaque entité.

Figure 1 : L’architecture du réseau 5G point à point (R.15)