Interfonctionnement du LTE et du WiFi

Cet article est une extension de l’article de l’article du 8 octobre : LTE et WiFi : Les attentes de la R.13 et R.14

L’architecture EPC (Evolvec Packet Core) est le cœur réseau tout IP définie dans la release R.8 pour le réseau de mobiles 4G. Le réseau EPC supporte l’interconnexion avec les réseaux  de mobiles 2G et 3G ainsi que le réseau WiFi. Il devient ainsi le point d’ancrage pour la mobilité des utilisateurs sur les réseaux d’accès 3GPP et les réseaux d’accès non 3GPP. Il est également le point d’ancrage pour la politique de QoS, de taxation et de services de facturation. Par contre, les fonctionnalités décrites dans la release R.8 n’autorise pas le mobile UE d’être sur le réseau 3GPP et non 3GPP simultanément. Par contre, dans la release R.10 plusieurs mécanismes sont proposés pour autoriser le mobile UE accéder aux deux réseaux d’accès LTE et WLAN simultanément soit :

  • en établissement une ou plusieurs connexions portées par un support radio (bearer) sur l’interface LTE et un accès radio sur le WLAN. Il s’agit du mécanisme MAPCON Multi-access PDN Connectivity) ;
  • en établissant une connexion PDN entre l’UE et le PGW, avec un mécanisme permettant de router le flux data vers l’UE (qui conserve toujours la même adresse IP) par routage vers le réseau d’accès LTE ou le réseau d’accès WiFi. Il s’agit du mécanisme IFOM (IP Flow Mobility) qui nécessite de la part du mobile UE et de l’entité PGW (nommé HA Home Agent) de supporter le protocole DSIMPv6 (Dual Stack Mobile IPv6) afin de pouvoir établir un routage sur le réseau IpV4 ou IPv6.

L’architecture du réseau 4G est rappelée sur la figure 1 :

Figure 1 : Architecture du réseau 4G

Le routage des flux entre le réseau WiFi et le réseau opérateur est conditionné au type de flux à transmettre. Afin de satisfaire la qualité d’expérience de l’utilisateur, les flux exigeant une QoS (Qualité de service) particulière comme un débit garanti, une priorité seront pris en charge par le réseau 4G alors que les autre flux seront transportés sur le réseau Best Effort via l’accès WiFi.

Le réseau opérateur doit donc analyser les types de flux et définir l’accès adéquat. Cette fonction est supportée par l’entité ANDSF (Access Network Discovery and Selection Function). Ce dernier doit donc connaitre le profil de l’utilisateur et doit pouvoir joindre l’entité  PCRF pour connaître la QoS à appliquer. A chaque demande de l’utilisateur, l’ANDSF :

  • Transmet les politiques sur le routage de flux en fonction de la capacité du mobile UE :
    • politique de mobilité ISMP (Inter-system Mobility Policy) permet de sélectionner le type de réseau 3GPP ou non 3GPP dans le cas où le mobile UE ne supporte pas une connexion simultanée sur les deux réseaux ;
    • politique de routage ISRP (Inter-System Routing Policy) permet de mettre en œuvre les mécanismes IFOM ou MAPCON
  • Détecte les réseaux d’accès pouvant apporter une connectivité radio avec le mobile UE et gère les listes des accès réseaux disponibles à proximité de l’UE (localisation et profil du mobile UE).

Les rôles de la politique de mobilité ISMP (release R.8) sont :

  • Définir les règles de priorité des réseaux d’accès (PLMN, TAC, RAC, EUTRAN, UTRAN, GERAN, SSID, …)
  • Définir le choix au réseau d’accès 3GPP/WiFi
  • Mettre à jour des règles de politiques à la demande du mobile UE ou à l’initiative du réseau (PUSH/PULL)

La politique de mobilité ISMP permet de choisir un type de réseau d’accès. Ainsi, dans ce cas si l’opérateur choisit de délester un utilisateur UE vers le WiFi, c’est tout le trafic IP de cet utilisateur UE qui sera délesté vers le réseau WiFi.

Pour avoir une granularité sur les types de flux à délester, il est nécessaire d’analyser la demande de connexion PDN.

Les rôles de la politique de routage ISRP (release R.10) sont :

  • Autoriser l’UE à accéder à deux réseaux simultanément en établissant plusieurs PDN
  • Sélectionner le réseau pour délester le trafic

L’ISRP s’appuie sur l’identité du nom de point d’accès APN pour définir la règle de routage (MAPCON), ou sur le type de flux grâce aux informations récupérées par l’entité ANDSF en consultant le PCRF.

Dans le cas de la procédure IFOM, le PGW est le Home Agent. Il définit une adresse IPv6 permanente au mobile UE qui est l’adresse IP sur  le réseau 3GPP et une adresse IP temporaire (CoA : Care of Address) pour échanger avec le mobile UE via le réseau d’accès WiFi. Ainsi, lorsque l’entité ANDSF décide d’utiliser le réseau d’accès WiFi, il informe le PGW via un message PBU (Proxy Binding Update) et l’UE du changement d’adresse IP (stockée au niveau du PGW). Pour pouvoir différencier les flux, IFOM étend la notion de CoA à plusieurs adresses CoA dans une table étendue (binding cache) et une table d’association de flux (flow binding). La table d’association de flux est une table contenant autant d’entrée que de flux. Chaque entrée de la table est définie par un identifiant de flux, par une priorité, un champ de sélection de trafic (traffic selector) et un champ d’identification de la table de cache nommé BID : Binding Identification.

Pour faciliter la compréhension, j’ai remplacé l’adresse source par le nom de domaine.

Ainsi, lorsque le PGW reçoit un paquet provenant de l’adresse univ-poitiers.fr, il va utiliser l’adresse dans le cache (Binding cache) :

L’UE dispose ainsi de plusieurs adresses IPv4 ou IPv6 qui l’obtient lors de la procédure d’établissement de connexion (PDN Connexion) soit réalisé à travers le réseau 3GPP ou via le réseau d’accès WLAN.

 

Selon le type d’accès WiFi (trusted ou non trusted), le support data est établi :

  • Trusted : Directement entre la station de base AP WiFi à l’entité PGW grâce à l’algorithme d’authentification EAP-AKA ou EAP-SIM avec les informations contenues dans l’application USIM;
  • Non Trusted : Via une entité ePDG sous le contrôle de l’opérateur afin d’établir un tunnel sécurisé IPSEC pour le transport des données entre l’UE et l’EPC. L’entité ePDG est une passerelle pour sécuriser le réseau d’accès non 3GPP.

 

Dans la release R.13, trois autres mécanismes sont proposés :

  • LWIP : LTE / WLAN radio level integration with IPsec tunnel. Le mobile UE est connecté au SGW via un support 3GPP et un support chiffré non 3GPP. Le SGW commute le trafic vers chaque point d’accès.
  • LWA : La station de base eNB contrôle la station de base AP WiFi (Control Plane) et établit un tunnel Data (User Plane) pour échanger le trafic. Le LWA va donc séparer et séquencer les flux de données entre l’accès LTE e t l’accès WiFi. L’avantage de cette solution est la possibilité pour la station de base LTE d’ordonnancer les flux en fonction des conditions radios entre le mobile UE et chaque point d’accès (LTE et WiFi). Le mécanisme LWA est transparent pour l’utilisateur.
  • LAA : La station de base supporte le LTE mais exploite la bande radio WiFi. Le LAA s’appuie sur la procédure d’ajout d’établissement de support (bearer) du CA.

 

 

 

LTE et WiFi : Les attentes de la R.13 et R.14

WIFI et LTE
En général, on choisit un mode d’accès WiFi ou LTE pour accéder à Internet et pourtant, actuellement, les terminaux peuvent se connecter simultanément au WiFi pour toutes les sessions IP ne nécessitant pas de QoS, et au réseau LTE. L’accès au WiFI est souvent préférable pour l’utilisateur lorsqu’il peut profiter d’un débit plus élevé que par le LTE et préférable pour l’opérateur qui décharge ainsi ses stations de base pour un trafic vers des utilisateurs résidents.
Par contre, dans le cas ou le débit du WiFi est faible (soit ponctuellement à cause d’un encombrement ou factuellement car le point d’accès est loin du DSLAM), lorsque l’utilisateur configure son smartphone pour un accès WiFi, ce dernier utilisera cet accès même si la qualité d’expérience serait meilleure en LTE.
Afin d’aider l’UE à se connecter au meilleur réseau, et définir des règles de politiques en fonction des applications (temps réels ou non), l’opérateur déploie l’entité ANDSF (Access Network Discovery Selection Function) dans le cœur du réseau.
Dans la R.8, lorsque l’UE détecte la présence du WiFi, tout le trafic était routé via le point d’accès WiFi ou restait en 4G.
La R.10 propose un mécanisme (MAPCON : Multi Access PDN Connectivity) permettant plusieurs connexions IP sur le réseau WiFi et sur le réseau LTE.  Dans ce cas, l’entité ANDSF indique quel accès radio choisir pour différentes applications en fonction de règle de trafic se basant sur l’identification de l’APN, l’adresse IP et le port de destination. Les règles s’appellent ISRP (Inter System Routing Policies).
La R.11 apporte plus de flexibilité sur l’analyse des flux comme par exemple séparé des applications temps réel ou non qui utilisent le même port http, définir une règle en fonction du débit attendu, de la taille du fichier, …
La R.10 propose également une mobilité des flux : un flux IP sur un réseau d’accès peut sans coupure être dirigé vers un autre réseau d’acccès (DSMIPv6 : Dual Stack Mobile IPv6), cependant les opérateurs ont préféré utiliser la mobilité sur le protocole GTP, et la R.13  propose la solution de mobilité IFOM (IP Flow Mobility)
Dans la release R.12, le réseau LTE propose une procédure de sélection du réseau afin d’aider le smartphone à choisir le meilleur réseau d’accès. Dans cette release, le réseau configure un niveau de puissance du signal ce qui permet au dispositif de comparer la puissance reçue à ce niveau et ainsi déterminer sur quel réseau d’accès exécuter la session IP.
La R.12 propose aussi à l’UE de profiter d’une double connexion : Connexion LTE et connexion WiFI simultanée. Il s’agit d’aggrégation dans le cœur réseau et celle-ci s’effectue au niveau de l’entité PGW (PDN Gateway).
Deux scénarios d’agrégation existent :
  1. LWA : L’agrégation des accès LWA (LTE / WLAN Aggregation) s’effectue au niveau de la couche PDCP de l’eNb et le point d’accès WiFI
  2. LWIP L’agrégation des accès LWIP (LTE / WLAN radio level integration with IPsec tunnel) s’effectue au niveau du SGW et le point d’accès WiFi

La R.13 propose l’utilisation du spectre WiFi pour émettre des signaux LTE. L’opérateur déploie des eNb qui émettent dans la bande du WiFi pour faire de l’agrégation de porteuses (CA). Les eNb déployés ne doivent pas interférer avec les bornes WiFi, il est donc nécessaire de mettre en œuvre des mécanismes d’écoute avant émission (LBT/CCA) avant d’émettre. On parle de LAA – License Assisted Access.

  • La R.13 propose le LAA uniquement sur le DL
  • La R.14 propose le LAA sur le DL et UL sur 32 bandes de 20 MHz

La 4G dans les rames du métro parisiens et le TER

La RATP a ouvert ses stations de métro aux opérateurs pour une couverture en 3G et en 4G. Il s’agit d’un accord permettant une connexion sur les quais de Gare mais aussi dans le métro même et sur les lignes A et B du RER

Malgré une redevance exigée par la RATP qualifiée de trop chère pour Orange, Free et Bouygues, SFR a conclu l’accord et devient donc le premier opérateur mobile à offrir une connexion sur le réseau métropolitain.

L’accord étant non exclusif, les autres opérateurs pourront eux aussi déployer leur propre réseau. Dans un premier temps, SFR va équiper la Gare de Lyon et de Châtelet d’ici le 1er octobre (seule la 3G sera activée). Ensuite, 170 stations du métro et des lignes RER seront couvertes d’ici 2014. Cela représentera 75% du trafic. A ce jour, les 11 millions d’abonnés ne profitent que du EDGE. En 2015, 100% des abonnés pourront surfer en 4G, c’est aussi à ce moment que la redevance sera totale.

 

SFR va donc pouvoir offrir de la 4G partout, même dans le métro, ce qui sera sans doute un argument de vente. Mais, la 4G pourrait être proposés aux autres clients de Bouygues, Free et Orange avec des conditions d’accord d’itinérance entre l’opérateur SFR et les autres opérateurs. Avec 11 millions de voyageurs quotidiens, l’accord pourrait être intéressant.

L’opérateur SFR n’installera pas d’antenne, celles-ci restent sous la tutelle de Telcité, filiale de la RATP. Actuellement Telcité loue déjà des antennes 2G à SFR et des accès WiFi à GoWex. C’est d’ailleurs GoWex qui a proposé l’accès gratuit au WiFi dans plusieurs stations de métro, mais seules Chaussé d’Antin, Place d’Italie et Pont de Sèvre propose la WiFI sur le quai de gare.

 

Free Mobile Secure : Un service pour passer du WiFI à la 3G

Free Mobile Secure

Après l’annonce de la solution Wi-Fi Autoconnect de la part de SFR (ce service est actuellement en test dans trois départements du Sud Est de la France), Free lance son service Free Mobile Secure permettant de passer d’une connexion 3G en Wi-FI et cela automatiquement dès qu’un HotSpot Wi-Fi de Free sera reconnu. Or, il y a 4 millions d’HotSpot Free en France (les FreeBox étant un HotSpot, et 4,5 millons d’HotSpot SFR en France), les freenautes pourront alors surfer sans consommer leur forfait Data (celui qui est rarement épuisé pour la majeure partie d’entre nous, puisqu’en moyenne on utilise 500 Mo de Data sur les 3 Go de Fair Use inclus dans leur forfait 3G).

Pour le moment, seuls les smartphones proposés par Free Mobile seraient compatibles, mais rappelons que les iPhone sous iOS5 et tous les BlackBerry sont nativement compatibles EAP-SIM

L’EAP-SIM signifie « Extensible Authentification Protocol », il s’agit d’un protocole d’authentification sécurisée qui permet d’accéder à l’ensemble des services de l’opérateur (télévision, voix sur IP, etc.) sans avoir à renseigner à répétition des données personnelles

Concernant le service VoIP, je ne saurais répondre à l’instant si celui-ci se fait sans restriction. Si c’est le cas, l’opérateur ne pourrait-il pas proposer des services de téléphonie pour la 4G?