Nous allons maintenant présenter la solution proposée par la 3GPP pour la mise en oeuvre de la fonction de communication Direct-UE communication, c’est à dire un appel audio/vidéo entre 2 UE via un satellite.

Cet article nécessite une relecture, merci de m’informer si vous notez des erreurs ou des incohérences. J’ai exploité les spécifications TS23.501 TS23.502 et TS23.228 pour écrire cet article et plus précisément la section 5-4.14 de la spécification TS 23.501 de la R.19 (celle-ci n’existe pas dans la R.18) et l’annexe AE1 de la TS 23.228.

Pour comprendre cet article, il est nécesaire de lire l’article précédent.

Cet article se limite à la gestion de la session média sans détailler l’apport du réseau IMS. Toutefois, le P-CSCF est l’entité qui sélectionne la fonction IMS AGW au sol et si la communication par satellite est possible, le P-CSCF relâche l’IMS AGW au sol et sélectionne l’IMS AGW du satellite.

Lors d’un appel IMS, le P-CSCF négocie le codec avec le PCF. Dans le cas d’un appel provenant d’un UE via satellite, le PCF communique au P-CSCF l’identifiant du satellite qui couvre l’UE, et il reçoit de la part du P-CSCF de l’appelé, l’identifiant du satellite qui couvre l’appelé. C’est à partir de ces informations que le P-CSCF détermine s’il peut ou non activer un routage média optimisé (UE-SAT-UE). C’est également le PCF qui informe le P-CSCF en cas de changement de satellite.

Enfin, la spécification 23.501 R.19-j40 propose une procédure d’appel entre 2 UE qui appartiennent au même HPLMN et n’autorise pas l’appel entre deux terminaux sur le même PLMN dont un est en roaming. Ces évolutions seront proposées ultèrieurement mais à la date d’écriture de cet article, la spécification ne prend pas en compte les autres cas d’usage.

Communication UE-Satellite-UE dans les réseaux 5G : Architecture et Mécanismes

Introduction

La communication UE-Satellite-UE (User Equipment-Satellite-User Equipment) représente une avancée significative dans l’évolution des réseaux 5G, permettant des communications directes entre équipements utilisateurs via des satellites. Cette technologie ouvre de nouvelles perspectives pour les services de communication dans des zones géographiques difficiles d’accès ou lors de situations d’urgence.

Figure 1 : UE-SAT-UE communication

Architecture de référence

Déploiement des fonctions réseau

Pour supporter la communication UE-Satellite-UE, la fonction UPF (User Plane Function) doit être déployée directement à bord des satellites en plus du gNB (architecture regénérative). Ces satellites assurent la liaison de service vers les deux équipements utilisateurs impliqués dans la communication.

La signalisation IMS est supportée par le coeur de réseau IMS de l’opérateur sur terre, et la fonction UPF va permettre de gérer le flux RTP de l’UE1 vers l’UE2 sans passer par le coeur de réseau pour que la latence soit tolérable.

Figure 2 : Optimisation du plan média IMS pour un appel via satellite

Contraintes et limitations actuelles

Dans cette première version de la spécification, plusieurs limitations importantes sont à noter :

• Services supportés : Seuls les services IMS voix/vidéo sont pris en charge
• Périmètre réseau : Les communications sont limitées aux UE appartenant au même PLMN (Public Land Mobile Network)
• Mobilité : Seuls les scénarios de non-itinérance sont considérés
• Types de satellites : Uniquement les satellites LEO (Low Earth Orbit) et MEO (Medium Earth Orbit) sont supportés

Mécanismes de fonctionnement

Établissement de session

Pour maintenir l’adresse IP de l’UE inchangée lors des services IMS, une approche hybride est adoptée :

1. Sélection UPF au sol : Un UPF terrestre est sélectionné comme PSA UPF (Packet Data Network Session Anchor UPF) durant la procédure d’établissement de session PDU
2. UPF satellite : L’UPF embarqué sur le satellite ne sert que comme UL CL/BP (Uplink Classifier/Branching Point) et PSA local pour router le trafic IMS

L’adresse IP allouée à l’UE est fournie par l’UPF au sol (nommée aussi PSA (PDU Session Anchor). Ainsi l’@IP de l’UE ne change pas si on change de satellite.

Gestion des informations satellites

L’AMF (Access and Mobility Management Function) joue un rôle central en rapportant l’identifiant du satellite desservant l’UE au SMF (Session Management Function) lors des procédures d’établissement et de mise à jour de session PDU (PDU Session establishment).

Le processus implique également :

• La souscription du PCF (Policy Control Function) aux rapports d’informations du réseau d’accès
• La transmission de l’identifiant du satellite via les rapports d’informations du réseau d’accès
• L’utilisation de ces informations par l’IMS pour déterminer l’activation possible de la communication UE-Satellite-UE

En effet, l’appel IMS est établi par une requête SIP INVITE. Le P-CSCF a besoin de connaitre l’identifiant du satellite qui couvre l’UE. Il fait donc sa demande au PCF, qui ne dispose pas de cette information. Le PCF va donc interroger le SMF. Le SMF récupère cette information auprès de l’AMF, qui lui, contient cette information. Le DNAI, pour le routage, est dérivé à partir de l’identifiant du satellite.

Gestion de la mobilité satellitaire

Changement de satellite desservant

Lorsque le satellite desservant un UE change (dû au mouvement de l’UE ou du satellite), plusieurs mécanismes sont mis en œuvre :

1. Procédure de handover : Une procédure de handover basée sur Xn/N2 peut être effectuée pour changer le gNB desservant du satellite source vers le satellite cible
2. Décision de routage : Le SMF décide si le trafic IMS doit être :
   • Routé vers le PSA au sol
   • Maintenu sur l’UL CL/L-PSA satellite

Scénarios de continuité

Routage vers le sol : Si le SMF décide de router le trafic vers le PSA au sol, une notification précoce sans ID satellite est envoyée au PCF, indiquant que le plan utilisateur 5GC doit basculer vers le sol.

Maintien sur satellite : Si le SMF décide de conserver l’UL CL/L-PSA sur le satellite, il fournit une notification précoce avec l’ID du satellite cible. L’IMS informe alors le 5GC si la communication UE-SAT-UE peut continuer ou non :

• Continuation possible : Allocation d’UL CL/BP et L-PSA sur le satellite cible avec mise à jour des règles de transport
• Continuation impossible : Suppression de l’UL CL/BP et L-PSA sur le satellite source

Implications et perspectives

Avantages technologiques

Cette architecture offre plusieurs avantages significatifs :

• Réduction de latence : Traitement direct du trafic dans l’espace
• Couverture étendue : Desserte de zones géographiques difficiles d’accès
• Résilience : Continuité de service même en cas de défaillance des infrastructures terrestres

Défis techniques

Les principaux défis incluent :

• Complexité de gestion : Coordination entre systèmes terrestres et spatiaux
• Mobilité dynamique : Gestion des handovers entre satellites en mouvement
• Ressources embarquées : Limitations de puissance et de traitement des satellites

Conclusion

La communication UE-Satellite-UE représente une évolution majeure des réseaux 5G, ouvrant la voie à des services de communication ubiquitaires. Bien que cette première implémentation soit limitée aux services IMS voix/vidéo dans des scénarios spécifiques, elle pose les fondations pour des développements futurs plus ambitieux.

L’intégration réussie de cette technologie nécessite une coordination étroite entre les composants terrestres et spatiaux du réseau, ainsi qu’une gestion intelligente de la mobilité des satellites et des utilisateurs. Cette approche hybride sol-espace annonce une nouvelle ère pour les télécommunications mobiles globales.

 

Les acronymes

• UL CL (Uplink Classifier)
• BP (Branching Point)
• L-PSA (Local Packet Data Network Session Anchor),
• DNAI (DN Access Identifier).