Etablissement de la connexion radioélectrique : Comparaison 4G et 5G

En reprenant la procédure de demande de connexion d’accès 5G SA, j’ai constaté qu’il y avait deux types de requêtes RRC différentes pour la même procédure.

Le premier échange pour l’établissement de la connexion radioélectrique est identique aux échanges entre le terminal et la station de base 4G, le deuxième échange diffère dans le type de message transmis.

La question qui se pose est donc la suivante : Pourquoi trouve t’on deux types de messages différents pour la même procédure et laquelle est correcte?

Afin de comprendre laquelle était juste, j’ai comparé plusieurs articles pour m’apercevoir qu’au final, la spécification TS 3GPP a évolué entre mars 2018 et novembre 2018. Ce qui explique les deux formalismes différents rencontrés.

Ainsi, je propose dans cet article de comparer la demande d’accès radioélectrique entre un mobile et une station de base 4G et entre un mobile et une station de base 5G en se basant sur la spécification R15 (qui est à l’état gelé).

  1. Introduction

Lorsque le mobile souhaite établir ou ré-établir la connexion radioélectrique avec la station de base, il doit dans un premier temps informer la station de base de sa présence par la procédure d’accès aléatoire avec collision. Il s’agit de la connexion initiale destinée à gérer les conflits éventuels si plusieurs mobiles font simultanément une demande d’accès.

Ensuite, la station de base sécurise le lien radioélectrique (la strate d’accès AS) par chiffrement et intégrité de la strate radioélectrique AS (Access Stratum).

Nous allons présenter dans cet article la connexion radioélectrique sur l’interface 4G et sur l’interface 5G, mettant ainsi en avant les différences et les similitudes.

2) La procédure d’accès aléatoire avec collision 4G

La procédure d’accès aléatoire avec collision, lors de l’établissement ou du rétablissement de la connexion avec un nœud radioélectrique est décrite à la figure 1.

Le mobile choisi un préambule aléatoirement parmi la liste des préambules proposées par la station de base 4G (message SIB2) et transmet sa demande via le canal physique PRACH avec une puissance initiale P.

Le signal PRACH est transmis sur une fréquence porteuse et pendant une sous-trame qui permet de calculer la valeur RA-RNTI d’émission :

En cas de non-réponse de la station de base eNB, le mobile retransmet le même canal PRACH en augmentant la puissance d’émission. Le nombre maximal de retransmission est indiqué par l’information système porté par le SIB2.

Le risque de collision est lié au fait que plusieurs mobiles peuvent transmettre le message PRACH au même instant (donc avec le même identifiant RA-RNTI). La collision ne se produit que si deux mobiles émettent simultanément avec le même préambule.

Lorsque la station de base eNB reçoit le canal physique PRACH, elle calcule l’avance de temps TA et répond au mobile. Le mobile écoute le canal physique PDCCH (Physical Downlink Control Channel) à la recherche de l’information de contrôle DCI format 1A ou 1C dont le RRC est mélangé avec l’identifiant RA-RNTI. Lorsque le mobile récupère l’information DCI correspondant à la réponse d’une demande d’accès aléatoire avec l’identifiant RA-RNTI, le mobile récupère les données correspondantes qui sont transmises par la station de base dans le canal physique PDSCH (i s’agit de la trame MAC RAR).

La trame MAC RAR (Random Access Response) contient l’indice du préambule, l’avance de temps TA, la ressource à utiliser (UL Grant) pour la transmission dans le canal montant et l’identité temporaire TC-RNTI (Tempory Cell RNTI). C’est par l’indice de préambule que le mobile est capable de savoir si la réponse lui est destinée (sauf en cas de conflit). Ainsi, si deux mobiles ont fait simultanément la demande d’accès aléatoire avec deux préambules différents, chaque mobile trouvera son identifiant dans la trame MAC RAR.

Le mobile initialise son avance de temps TA et répond avec le message RRC ConnectionRequest contenant :

  • l’identité temporaire S-TMSI (Shortened Temporary Subscriber Identity), si le mobile est déjà attaché;
  • un nombre aléatoire dans le cas contraire (40 bits).

Si deux mobiles avaient fait une demande d’accès aléatoire simultanément avec le même préambule, alors l’entité eNB reçoit les deux message RRC ConnectionRequest sur les mêmes ressources radioélectrique, elle répond au mobile pour lequel elle a pu décoder la requête par le message RRC ConnectionSetupComplete comprenant :

  • l’information DCI dans le canal physique PDCCH ;
  • l’en-tête MAC RAR contenant l’élément de contrôle UE CRI (Contention Resolution Identity). Cet élément de contrôle reproduit l’identité du message RRC ConnectionRequest, permettant ainsi de résoudre la collision.

Le mobile récupère l’information DCI à partir de l’identité TC-RNTI et récupère, à partir de l’information DCI, la description de ses données dans le canal physique PDSCH.

Si deux mobiles avaient simultanément fait une demande d’accès aléatoire avec le même préambule, seul un mobile reçoit la réponse avec l’identifiant S-TMSI ou le numéro aléatoire choisi, le conflit est ainsi résolu.

Après résolution de collision, l’identité temporaire TC-RNTI devient l’identité définitive C-RNTI attribuée au mobile.

Le mobile confirme la connexion radioélectrique en indiquant son C-RNTI dans l’élément de contrôle de la trame MAC du message RRC ConnectionSetupComplete.

Figure 1 : La demande d’accès aléatoire en 4G

 

3) La procédure de connexion radioélectrique 4G

Dans le message RRC ConnectionSetupComplete, le mobile transfère le message NAS dédié au cœur de réseau. Il peut s’agir d’une demande d’attachement et d’établissement de support, ou d’une demande de service (ServiceRequest) pour le ré-établissement d’un support.

Figure 2 : La demande de ré-établissement de support en 4G

Les 4 premiers messages  concernent la procédure d’accès aléatoire. Dans le 5ème message RRC ConnectionSetupComplete, le mobile confirme la connexion du support radioélectrique et transmet la raison de sa demande (message NAS : Non Access Stratum);

L’entité eNB transfère la requête auprès du MME via le message X2 Initial UE Message (non présenté ici). Si l’entité MME acquitte la demande, alors la station de base eNB va procéder à la sécurisation du lien radioélectrique par la requête RRC Security Mode.

Une fois la capacité de chiffrement des messages validés par le mobile (RRC Security Mode Complete), la station de base configure un nouveau support radioélectrique pour l’échange de trafic (RRC Connection Reconfiguration).

 

4) La procédure d’accès aléatoire avec collision 5G

Dans le cas de la procédure d’accès aléatoire 5G, la bande passante est découpée en partition de bande BWP. Dans chaque sous bande BWP, la station de base diffuse le bloc SSB (signal de synchronisation et le canal BCCH) permettant au mobile de se synchroniser en temps et en fréquence et de lire les informations portées par le message MIB.

Pour faire sa demande d’accès aléatoire, le mobile recherche la partition BWP d’accès initiale. La partition de bande initiale correspond à une sous-bande de fréquence dans laquelle la station de base émet le bloc SSB avec en plus un espace de recherche sur lequel le mobile pourra scruter le message d’information DCI transmise par la station de base en réponse à la requête PRACH du mobile.

Si la station de base gNB peut émettre des slots SSB dans des faisceaux différents (beam sweeping), le mobile sélectionne le faisceau de meilleure qualité.

A l’instar de la 4G, le mobile transmet la demande d’accès par le canal PRACH avec une puissance P. Néanmoins, la valeur d’identifiant RA-RNTI se calcule de la manière suivante :

Si le nœud radioélectrique reçoit le canal physique PRACH, il calcule l’avance de temps TA et il transmet la trame MAC RAR (Random Access Response) au mobile (message 2) en lui attribuant les ressources radioélectriques pour le prochain message montant (UL Grant) et l’identité temporaire TC-RNTI (Tempory Cell RNTI).

Figure 3 : La demande d’accès aléatoire en 5G

 

Pour plus d’information sur la procédure RACH, se référer à l’article suivant : http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2019/10/14/etablissement-de-la-connexion-radio-partie-3-la-procedure/

5) La procédure de connexion radioélectrique 5G

Sur le web, on trouve deux procédures de connexion radioélectrique :

  • l’une antérieure à la Release V15.4.0 (par exemple : 3GPP TS 38.401 V15.3.0 (2018-09)) où l’on retrouve les mêmes messages que la procédure de connexion radioélectrique 4G
  • la version officielle pour laquelle les messages sont dorénavant les suivants (message RRC similaire en supprimant le mot Connection)

Figure 4 : Les messages RRC pour la demande d’accès aléatoire en 5G

Ainsi, en s’appuyant sur la Figure 8.1-1: UE Initial Access procedure du document 3GPP TS 38.401 V.15.4 ou supérieure (jusqu’à V16.2), on observe le call-flow suivant.

Figure 5 : La procédure d’accès initiale en 5G

 

6) Conclusion

La procédure d’accès initiale en 4G et 5G reste assez similaire, l’approche simplifiée de cet article ne permet pas d’entrer dans les détails de la sélection de faisceau pour l’accès initial 5G. Je prendrai le temps dans un prochain article pour le détailler.

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

La 5G arrivera en Juillet 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.

Etats RRC – ECM – EMM

Dans un article précédent, Protocole RRC, j’avais conclu par « Le protocole RRC a pour but est de transférer les informations de signalisation entre l’UE et la station de base » (Le protocole S1AP permet ensuite d’acheminer la signalisation au MME), ce qui avait déjà été présenté via cette figure lors de l’article Protocole NAS et AS :

asnas4G

En s’appuyant sur l’article Protocole NAS et AS, j’avais décrit les procédures EMM, ECM et ESM dans l’article EMM, EPS Mobility Management. Il est temps maintenant de conclure cette série d’article et notamment finalisons l’étude de cette figure :

emm_1

Les états EMM et ECM ont été étudiés plus en détail dans l’article ECM, EPS Connexion Management.

Jusqu’à présent, j’avais occulté le protocole RRC alors que ce dernier porte la signalisation NAS. Mais, l’état RRC du mobile évolue de manière duale avec l’état ECM

La figure suivante montre les états de transition entre l’EMM et l’ECM/RRC. Comme on peut le constater, l’état ECM et RRC sont identiques.

Figure 2. EMM State Transition

Cette figure est expliquée dans l’article ECM EPS Connection Management, mais revenons sur les différents états :

Etat A : EMM Deregisterd, ECM/RRC Idle – L’UE vient de s’allumer pour la première fois après avoir souscrit l’abonnement ou allumé après avoir été éteint plusieurs jours. Aucun context UE n’existe sur le réseau LTE

Etat BEMM Deregisterd, ECM/RRC Idle – L’UE s’allume après avoir été éteint pendant un court laps de temps (timer non connu à la rédaction de cet article) ou l’ECM est coupé suite à une perte de la connexion radio

Etat CEMM Registerd, ECM/RRC Connected – L’UE est enregistré sur le réseau LTE et utilise des services. La mobilité est géré par un handover (cellule à cellule pour ne pas couper le trafic)

Etat DEMM Registerd, ECM/RRC Idle – L’UE est enregistré sur le réseau LTE mais n’utilise aucun service. La mobilité est géré par une procédure de reselection de cellule lorsque le mobile passe d’un TAU à un autre.

Quand l’UE s’est attaché au réseau (cf article EMM – Initial Attach), il passe à l’état EMM-Registered et construit le bearer par défaut. Ce bearer est composé de trois partis (cf article BEARER EPS) :

  • DRB : Data Radio Bearer
  • S1 Bearer
  • S5 Bearer

Ces 3 bearers sont établis et restent activés dans l’état C, ECM/RRC Connected – EMM Registered quand l’utilisateur accède à un service et donc des données doivent être échangées.

Mais, dans l’état D, EMM Registerd, ECM/RRC Idle, ou il n’y a plus de trafic utilisateur, seul le bearer S5 est établi et reste actif.

Etat_EMM_ECM

Protocole RRC

Hérité de la 3G, le protocole RRC permet à l’UE et à l'(e)Nb d’échanger de la signalisation (messages RRC).

Au cours de l’article Protocoles NAS et Protocoles AS, je vous avais présenté le concept d’accès au réseau (NAS et AS). Dans cet article, j’avais présenté le  NAS (Non Access Stratum). Comme son nom l’indique les fonctionnalités du NAS sont indépendantes de la couches d’accès, donc de l’accès radio et par conséquent le NAS permet l’échange d’information de signalisation entre l’UE et le MME.

Le NAS a pour rôle de permettre :

  • l’enregistrement de l’UE au réseau
  • l’authentification de l’UE
  • la mise à jour de la localisation
  • la gestion des appels.

Cf. article  Protocoles NAS et Protocoles AS « La couche NAS a deux rôles essentiels (figure 2): »

  • Gestion des sessions (et des appels pour la 3G)
  • Gestion de la mobilité.

En fait, les protocoles EMM, ECM et ESM sont des protocoles de signalisation de la couche NAS, cela concerne l’UE et le MME.

lte_control_plane_RRC

L’AS regroupe les protocoles de signalisation propre au réseau d’accès (Access Stratum) c’est à dire entre l’UE-eNb et eNb-MME, eNb-SGW pour la 4G.

L’AS est transporté par les messages RRC sur l’interface LTE-Uu. Même si le NAS est indépendant de la couche d’accès, il est néanmoins transporté par la couche radio dans le cadre du LTE. Ainsi, le NAS est transporté par le protocole RRC (interface LTE-Uu) et le protocole S1-AP (interface SA-MME).

lte_protocol_layers

A titre d’exemple, pour l’EMM les messages ATTACH/DETACH REQUEST, TAU sont encapsulés dans le message RRC Connection Setup Complete, tout comme le SERVICE REQUEST de l’ECM (se référer à al’article correspondant : ECM – EPS Connection Management)

Pour la 3G, il faut rajouter le RNC comme le montre la figure ci-dessous

asnas3G

Le protocole RRC a pour but est de transférer les informations de signalisation entre l’UE et la station de base, nous allons pouvoir maintenant étudier les messages d’accès au réseau et de gestion d’appels, ainsi que les call flow dans les articles à venir.

Commentaires : Bien différencier les protocoles et les interfaces. L’interface S1-MME et le protocole S1-AP.