Les identifiants radios

Les articles précédents traitaient de la procédure de sélection et de re-sélection et le dernier article a permis de présenter les SIBs.

Nous allons maintenant nous intéresser aux identifiants de la cellule et de la station de base

  1. Cellules radioélectriques et identifiants

On appelle cellule radio ou secteur, la zone de couverture radio d’une station de base sur une bande de fréquences (carrier).

Une station de base 4G, nommée eNB, qui supportent plusieurs porteuses couvrent plusieurs cellules (au moins une cellule par porteuses et dans la limite de 256 cellules). Dans le cas général, une station de base 4G propose 5 bandes (bandes B1, B3, B7, B20 et B28) et 3 secteurs par bandes, aura donc 15 cellules.

Une station de base eNB est composée de deux unités : L’unité de bande de base BBU et une tête radio dépotée RRU ou RRH. Par conséquent, il est théoriquement possible que la station de base propose des points d’accès radioélectrique (Multi Transmission Point) et couvrent ainsi plus que 3 secteurs.

Une station de base gNB est décomposée de 3 unités : L’unité centralisée CU, l’unité distribuée DU et une tête radio déportée. Si les unités CU et DU sont centralisées, le nombre de cellules sera limités à 16 mais dans le cas ou le CU et DU sont délocalisées, et qu’un CU contrôle plusieurs DU, 14 bits sont réservés pour l’identification des cellules. Un CU peut contrôler jusqu’à 250 DU et un DU peut avoir 12 cellules, soit 3000 cellules En réservant 14 bits pour l’allocation des cellules, on peut ainsi identifier 16384 cellules.

  1. Les identifiants radio

II-1) PCI

En mode de veille, le mobile est sous la couverture d’une cellule : le mobile est sous un secteur de la station de base et est accroché sur une bande de la station de base. En étant synchronisé sur cette bande, le terminal récupère l’identifiant PCI de la cellule partir du signal de synchronisation primaire et secondaire (1 à 504). L’identifiant PCI est l’identifiant physique de la cellule, et dans la planification des cellules, il faut éviter la collision des PCI [2] entre les secteurs de même bande, de deux stations de base voisines.

On parle de collision quand deux cellules voisines avec le même PCI et de confusion pour le mobile pour lequel deux cellules de la même bande ont le même PCI.

La station de base qui dispose de plusieurs bandes émet le même PCI par bande.

L’identifiant PCI permet donc d’identifier une station de base

Figure 2 : Capture NEMO sur Paris

Note de M Lagrange : L’identifiant PCI permet donc d’identifier une station de base dans une zone géographique donnée. S’il y a une zone où un terminal peut détecter 2 stations de bases différentes, les PCI doivent être différents. En revanche, il n’y aucun problème pour qu’une cellule à Rennes et une cellule à Châtellerault utilisent le même PCI (ex PCI = 218 chez SFR)

Figure 3 : Les cellules dont la valeur PCI = 218 (SFR) [4]

II-2) Identifiant de la station de base et des cellules 4G (5G NSA) : eNB ID (en-gNB ID) , GeNBID, ECGI

Un petit rappel sur le réseau d’accès radio 2G/3G

L’identifiant CGI (Cell Global Identification) est utilisé sur les réseaux d’accès 2G/3G pour identifier de manière unique la cellule. Une cellule est identifié par l’identifiant CI, celui-ci doit être unique dans un LAC donné. Ainsi le CGI est obtenu par le LAI (MCC|MNC|LAC) | CI

Figure 3 : L’identifiant CGI [2]

L’identifiant eNB ID (eNB Identifier) permet d’identifier l’eNB d’un réseau PLMN.

L’identifiant en-gNB ID (en-gNB Identifier) permet d’identifier la station de base en-gNB dans le cas du déploiement 5G NSA

L’identifiant GeNB ID (Global eNB ID) permet d’identifier de manière unique une station de base. Il s’obtient en concaténant l’identifiant réseau PLMN (MCC|MNC) avec l’identifiant eNB ID

L’identifiant eCGI (E-UTRAN CGI) est utilisé sur les réseaux d’accès 2G/3G pour identifier de manière unique la cellule.

Figure 3 : L’identifiant eCGI [2]

Dans le cas des réseaux privés SNPN ( Standalone Non-Public Networks) l’identifiant du réseau NID (Network Identifier) est inclus dans l’identifiant ECGI.

 

Application

L’identifiant ECGI (E-UTRAN CGI) permet d’identifier la cellule de manière unique. L’ECGI est construit en concaténant le MCC|MNC avec l’identifiant ECI.

L’identifiant ECI est construit par l’identifiant de l’eNB nomme eNB-ID et l’identifiant CI de la cellule.  Nous savons qu’un eNB peut avoir au plus 256 cellules. L’identiant de la cellule CI est codé sur 8 bits, donc l’identifiant ECI est égale à 256*l’identifiant eNB + l’identifiant de la cellule CI

Figure 3 : Exemple de trace avec l’application Network Cell Info Lite

Dans l’exemple de la figure 3 (extrait Internet), nous avons les valeurs suivantes :

eNB ID = 87 541

CI (LCID : Long Cell ID) 4

  • eNB ID | CI = 87541*256+4 = 22 410 500

eCGI = 310 -260 – 22 410 500

 

II-3) Identifiant de la station de base et des cellules 5G : gNB ID et NCGI

L’identifiant NCGI (NR Cell Global Identifier) est similaire à l’identifiant ECGI en concaténant l’identifiant PLMN du réseau 5G avec l’identifiant de la cellule 5G NCI.

L’identifiant NCI est constitué de 36 bits correspond à la concaténation de l’identifiant gNB ID et de la cellule CI.

  • L’identifiant gNB est de taille variable entre 22 bits et 32 bits
  • L’identifiant NCI est donc aussi variable entre 14 bits et 4 bits

Figure 4 : Les identifiants gNB Id et NCGI [3]

 

A partir de l’identifiant du gNB et de l’identité de la cellule, on peut donc calculer le NCI [3][4]

Références

[1] TS 23.003 Numbering, addressing and identification  https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/123000_123099/123003/16.04.00_60/ts_123003v160400p.pdf

[2] Les images sont extraites du site : https://telecommunications4dummies.com/2021/01/31/pci_rules/

[3] https://www.techplayon.com/5g-nr-cell-global-identity-planning/

[4] https://enb-analytics.fr/page_recherche_analyse.html

La re-sélection de cellule : Part 4 (Les SIBs)

Cet article termine la série de sélection et re-sélection de cellules

Nous allons dans cet article reprendre le contenu des informations transportées par les messages RRC SIB1, SIB3, SIB4 et SIB5

SIB1 contient

SIB3 contient

SIB4 contient

SIB5 contient

SIB6 contient

Annexe 1 : SIB1

Exemple de mesure sur Paris – Porte de Versailles (SFR)

RRC SIGNALING MESSAGE

Time: 14:07:44.168

SystemInformationBlockType1    (3GPP TS 36.331 ver 16.6.0 Rel 16)

 

BCCH-DL-SCH-Message

message

c1

systemInformationBlockType1

cellAccessRelatedInfo

plmn-IdentityList

plmn-IdentityList value 1

plmn-Identity

mcc

mcc value    : 2, 0, 8

mnc

mnc value    : 1, 0

cellReservedForOperatorUse  : notReserved

trackingAreaCode

Bin      : ‘B5AA’H (= 46506)

cellIdentity

Bin      : ‘976AA07’H (= 158771719)

cellBarred : notBarred

intraFreqReselection : allowed

csg-Indication       : false

cellSelectionInfo

q-RxLevMin : -63  (= -126 dBm)

p-Max        : 23

freqBandIndicator      : 20

schedulingInfoList

schedulingInfoList value 1

si-Periodicity     : rf16

sib-MappingInfo

schedulingInfoList value 2

si-Periodicity     : rf16

sib-MappingInfo

sib-MappingInfo value      : sibType3

schedulingInfoList value 3

si-Periodicity     : rf16

sib-MappingInfo

sib-MappingInfo value      : sibType4

schedulingInfoList value 4

si-Periodicity     : rf32

sib-MappingInfo

sib-MappingInfo value      : sibType5

schedulingInfoList value 5

si-Periodicity     : rf16

sib-MappingInfo

sib-MappingInfo value      : sibType6

si-WindowLength        : ms20

systemInfoValueTag     : 25

nonCriticalExtension

nonCriticalExtension

ims-EmergencySupport-r9      : true

nonCriticalExtension

nonCriticalExtension

cellAccessRelatedInfo-v1250

nonCriticalExtension

hyperSFN-r13

Bin        : ’20D’H (10 bits)

eDRX-Allowed-r13       : true

 

Data (hex):

68 48 20 21 B5 AA 97 6A A0 78

1F 54 C8 40 42 02 10 A0 88 84

77 2D 25 88 34 00

Exemple de mesure sur Paris – Parc de Versailles (SFR) :

RRC SIGNALING MESSAGE
Time: 14:07:44.168

SystemInformation        (3GPP TS 36.331 ver 16.6.0 Rel 16)

 

BCCH-DL-SCH-Message

message

c1

systemInformation

criticalExtensions

systemInformation-r8

sib-TypeAndInfo

sib-TypeAndInfo value 1

sib3

cellReselectionInfoCommon

q-Hyst       : dB4

speedStateReselectionPars

mobilityStateParameters

t-Evaluation      : s60

t-HystNormal      : s60

n-CellChangeMedium        : 2

n-CellChangeHigh  : 4

q-HystSF

sf-Medium : dB0

sf-High  : dB0

cellReselectionServingFreqInfo

threshServingLow      : 2  (= 4 dB)

cellReselectionPriority       : 4

intraFreqCellReselectionInfo

q-RxLevMin   : -63  (= -126 dBm)

p-Max        : 23

s-IntraSearch : 31  (= 62 dB)

presenceAntennaPort1  : true

neighCellConfig

Bin        : ‘0’H (2 bits)

t-ReselectionEUTRA    : 2

t-ReselectionEUTRA-SF

sf-Medium  : oDot5

sf-High    : oDot5

 

Data (hex):

00 05 42 44 FC 29 A3 EB F8 94

00

SIB4 :

RRC SIGNALING MESSAGE
Time: 14:07:44.263

SystemInformation        (3GPP TS 36.331 ver 16.6.0 Rel 16)

 

BCCH-DL-SCH-Message

message

c1

systemInformation

criticalExtensions

systemInformation-r8

sib-TypeAndInfo

sib-TypeAndInfo value 1

sib4

intraFreqNeighCellList

intraFreqNeighCellList value 1

physCellId : 483

q-OffsetCell        : dB0

 

Data (hex):

00 09 01 E3 78 00 00

 

SIB 5 :

RRC SIGNALING MESSAGE
Time: 14:07:44.379

SystemInformation        (3GPP TS 36.331 ver 16.6.0 Rel 16)

 

BCCH-DL-SCH-Message

message

c1

systemInformation

criticalExtensions

systemInformation-r8

sib-TypeAndInfo

sib-TypeAndInfo value 1

sib5

interFreqCarrierFreqList

interFreqCarrierFreqList value 1

dl-CarrierFreq      : 2825

q-RxLevMin : -65  (= -130 dBm)

p-Max      : 23

t-ReselectionEUTRA  : 2

t-ReselectionEUTRA-SF

sf-Medium : oDot5

sf-High  : oDot5

threshX-High        : 10  (= 20 dB)

threshX-Low : 7  (= 14 dB)

allowedMeasBandwidth        : mbw75

presenceAntennaPort1        : true

cellReselectionPriority     : 7

neighCellConfig

Bin      : ‘0’H (2 bits)

q-OffsetFreq        : dB-12

interFreqCarrierFreqList value 2

dl-CarrierFreq      : 1501

q-RxLevMin : -65  (= -130 dBm)

p-Max      : 23

t-ReselectionEUTRA  : 2

t-ReselectionEUTRA-SF

sf-Medium : oDot5

sf-High  : oDot5

threshX-High        : 7  (= 14 dB)

threshX-Low : 7  (= 14 dB)

allowedMeasBandwidth        : mbw50

presenceAntennaPort1        : true

cellReselectionPriority     : 6

neighCellConfig

Bin      : ‘0’H (2 bits)

q-OffsetFreq        : dB-4

 

Data (hex):

00 0C 5E 05 84 8B AA 55 1E 78

67 80 BB A2 EA 94 E7 7C 2C 00

00 00

 

SIB 6 :

RRC SIGNALING MESSAGE
Time: 14:07:44.265

SystemInformation        (3GPP TS 36.331 ver 16.6.0 Rel 16)

 

BCCH-DL-SCH-Message

message

c1

systemInformation

criticalExtensions

systemInformation-r8

sib-TypeAndInfo

sib-TypeAndInfo value 1

sib6

carrierFreqListUTRA-FDD

carrierFreqListUTRA-FDD value 1

carrierFreq : 10564

cellReselectionPriority     : 3

threshX-High        : 16  (= 32 dB)

threshX-Low : 3  (= 6 dB)

q-RxLevMin : -58  (= -115 dBm)

p-MaxUTRA  : 24

q-QualMin  : -16 (dB)

carrierFreqListUTRA-FDD value 2

carrierFreq : 3075

cellReselectionPriority     : 2

threshX-High        : 16  (= 32 dB)

threshX-Low : 3  (= 6 dB)

q-RxLevMin : -58  (= -115 dBm)

p-MaxUTRA  : 24

q-QualMin  : -16 (dB)

t-ReselectionUTRA       : 3

 

Data (hex):

00 11 05 A5 11 C0 61 4A 42 60

1A 80 C2 94 86

 

La re-sélection de cellule : Part 3

Cet article est la suite de : La re-sélection de cellule : Part 2

II-2-3) Mécanisme de re-sélection

Après avoir étudié les conditions, nous allons maintenant résumer la procédure à partir des critères évoqués précédemment :

Priorité plus haute

La re-sélection vers une cellule de priorité supérieure est réalisée si les 2 conditions suivantes sont remplies :

  • La puissance du signal Srxlev> Threshx,highP pendant la durée de re-sélection Treselection
  • Plus d’une seconde s’est écoulé depuis le temps ou le mobile campe sur la Serving Cell.

Dans le cas ou l’information ThresServingLowQ est transmis dans le SIB3 alors une 3ème condition se rajoute :

  • La qualité du signal Squal > Threshx,highQ pendant la durée de re-sélection Treselection

Priorité plus basse

La re-sélection vers une cellule de priorité inférieure est réalisée si les 2 conditions suivantes sont remplies :

  • La puissance du signal Srxlev> ThreshServing_LowP pendant la durée de re-sélection Treselection
  • Plus d’une seconde s’est écoulé depuis le temps ou le mobile campe sur la Serving Cell.

Dans le cas ou l’information ThresServingLowQ est transmis dans le SIB3 alors une 3ème condition se rajoute :

  • La qualité du signal Squal > Threshx,highQ pendant la durée de re-sélection Treselection

Priorité identique

La re-sélection vers une cellule de même priorité est choisie à partir du classement de la priorité des cellules candidates (équations 5 et 6).

 

III) Les informations SIB et exemple

Le mobile doit récupérer ces valeurs de priorités qui sont diffusées dans les messages RRC SIB (SIB1, SIB3, SIB4, SIB5, SIB6) ou transmises au mobile lorsqu’il passe de l’état RRC_CONNECTED à l’état RRC_IDLE via la requête RRC Connection Release. On parle alors de priorité dédiée au terminal puisque celles-ci sont définies par l’eNB à partir du profil de l’abonné SPID (Subscriber Profile ID, par exemple, pour un IoT qui ne doit écouter que la bande à 800 MHz en mode de veille).

Lorsque le mobile récupère des priorités dédiées, il ignore les informations portées par le SIB. Les priorités dédiées seront supprimées lorsqu’il passe à l’état RRC_CONNECTED (à l’état connecté, c’est le contrôleur qui gère la mobilité) ou lorsque le temporisateur T320 expire (T320 en 4G, T.322 en 3G et T3230 en 2G).

Concernant les critères de mobilités transmis dans les SIB, les annexes sont des captures réalisées à partir de l’outil NEMO du site de Paris (Porte de Versailles). Nous allons noter les valeurs transmises et détailler ci-dessous les informations des SIBs.

Si on prend l’exemple de la figure 1, et en extrayant des valeurs mesurées par une capture NEMO (cf. annexe), nous avons

RSRP=-94 dBm

Srxlev = Qrxlevmeas – qRxLevMin (SIB1) = -94+126 = 32 dB

S-IntraSearch    : 31  (= 62 dB)

SnonIntraSearch n’est pas transmis, la valeur de 0 est donc appliquée.

Srxlev < s-IntraSearch => Il peut y avoir une re-sélection de cellules intrabandes, le mobile doit classer les cellules pour connaitre la cellule candidate.

 

SIB1

  • q-RxLev Min = -63 => -126 dBm
  • q-RxLev Min Offset (Absent)
  • p-Max = 23 dBm
  • Freq Band Indicator: B20 (800 MHz)

Les informations SIB suivantes configurent le terminal :

SIB3

  • Q-hyst : 4 dB
  • T-evaluation = 60 s
  • T-Hyst=60 s
  • n-cell Change Medium : 2
  • n-cell Change Medium : 4
  • threshServingLow : 2  (= 4 dB)
  • cellReselectionPriority : 4
  • intraFreqCellReselectionInfo
  • q-RxLevMin : -63  (= -126 dBm)
  • p-Max           : 23 dBl
  • s-IntraSearch         : 31  (= 62 dB)
  • t-ReselectionEUTRA : 2
  • t-ReselectionEUTRA-SF
    • sf-Medium : oDot5
    • sf-High : oDot5

SIB4

  • PCI Voisine dans la bande : 483
  • Qoffset = 0 dB

SIB5

  • dl-Carrier Freq : 2825 => Bande 7 à 2,6 GHz
    • q-RxLev Min = -65 => -130 dBm
    • p-Max = 23 dBm
    • t-ReselectionEUTRA : 2
    • t-ReselectionEUTRA-SF
      • sf-Medium : oDot5
      • sf-High : oDot5
    • threshX-High             : 10  (= 20 dB)
    • threshX-Low              : 7  (= 14 dB)
    • allowedMeasBandwidth         : mbw75
    • presenceAntennaPort1          : true
    • cellReselectionPriority           : 7
    • q-OffsetFreq            : dB-12
  • dl-Carrier Freq : 1501 => Bande 3 à 1800 MHz
    • q-RxLev Min = -65 => -130 dBm
    • p-Max = 23 dBm
    • t-ReselectionEUTRA : 2
    • t-ReselectionEUTRA-SF
      • sf-Medium : oDot5
      • sf-High : oDot5
    • threshX-High             : 7  (= 14 dB)
    • threshX-Low              : 7  (= 14 dB)
    • allowedMeasBandwidth         : mbw75
    • presenceAntennaPort1          : true
    • cellReselectionPriority           : 6
    • q-OffsetFreq            : dB-12

SIB6 transmet les informations pour une resélection du RAT 3G. Nous ne reprendrons pas les valeurs.

 

La re-sélection de cellule : Part 2

Cet article est la suite de l’article  La re-sélection de cellule : Part 1 

Merci à M Le professeur Xavier Lagrange pour la relecture de l’article et ses bons conseils.

2. La re-sélection de cellule

Le terminal continue à rechercher les cellules candidates pour une meilleure qualité radio selon les critères de re-sélection (en excluant les cellules blacklistées). Toutefois,pour réduire les mesures, l’UE ne déclenchera pas de re-sélection si la puissance de réception de la Serving Cell est suffisante (comparativement aux seuils SintraSearch et SnonintraSearch).

Lorsque la puissance de réception du mobile RSRP est inférieur à l’un des deux seuils (ou au deux), la re-sélection de cellule est guidée par 3 critères :

  • La priorité de la cellule
  • La qualité du lien radio
  • L’accessibilité de la cellule (non blacklistée)

II-1) Le déclenchement de la mesure

La re-sélection de cellule est une procédure permettant au mobile en veille (RRC_IDLE) de sélectionner une nouvelle cellule lorsque le niveau de puissance reçue par la cellule actuelle est inférieur à la condition de re-sélection.

Le mobile connait les valeurs de seuils SintraSearch et SnonintraSearch, il compare sa puissance de réception au seuil.

La procédure de re-sélection est donc déclenchée lorsque la puissance de réception RSRP de la cellule de service (Serving Cell) est inférieure à un seuil de référence.

On calcule dans un premier temps Srxlev de la Serving Cell (cf. Equation 1 dans le cas du HPLMN)

Srxlev = Qrxlevmeas – qRxLevMin (SIB1)

On sait que si la puissance reçue au niveau du mobile (RSRP nommée Qrxlevmeas) est inférieure à qRxLevMin alors Srxlev<0 et le mobile ne peut plus faire de demande d’accès radio (procédure d’accès aléatoire).

Il est donc nécessaire de faire une re-sélection de cellule avant que le RSRP atteigne la valeur minimale qRxLevMin.

Ainsi, le niveau de déclenchement de re-sélection est défini par l’un des valeurs suivantes contenues dans le SIB3. Il s’agit la marge de puissance avant d’atteindre qRxLevMin :

  • Sintrasearch pour une re-sélection vers une cellule cible qui utilise la même fréquence
  • Snonintrasearch pour une cellule cible sur une autre fréquence ou un autre accès radio.

Figure 2 : Seuil de déclenchement de la re-sélection

 Une priorité d’accès est associé au type de réseau d’accès radio (RAT). La priorité d’accès 4G est en général supérieure au réseau 3G, lui-même supérieure au réseau 2G (Les types de réseaux d’accès radio RAT ont obligatoirement des priorités différentes).

L’accès radio 4G dispose de plusieurs bandes de fréquences. Une priorité est également associée à chaque bande de fréquences.

Le seuil de déclenchement de la re-sélection (intra bande ou inter-bande/RAT) permet de réduire la consommation du mobile en veille uniquement si nécessaire :

  • Re-sélection dans la même bande (Intrafréquences) est réalisée lorsque :

Equation 3 : Srxlev < SIntraSearch

Note de M Lagrange : Ce seuil est en général très élevé 62 dB. Cela signifie que seulement dans le cas où un signal est très fort, le terminal ne fait aucune mesure sur les cellules voisines. C’est très rare en pratique.

  • Re-sélection d’une autre bande (Interfréquences) ou Inter RAT est réalisée lorsque

2a) Mesures en permanence sur un RAT ou une fréquence de priorité plus élevée

2b) Mesures vers un RAT ou une fréquence de priorité plus faible si la puissance reçue par la Serving Cell est inférieure à un seuil :

Equation 4 : Srxlev < SnonIntraSearch

La cellule cible candidate sera celle de priorité la plus haute parmi toutes les cellules éligibles. Pour être éligible, la puissance mesurée par le mobile doit être supérieure à un seuil d’éligibilité pendant une durée T_reselection.

La re-sélection est donc conditionnée par les deux règles suivantes :

  • Après l’expiration d’un Timer qui démarre lorsque le mobile re-sélectionne une cellule ce qui empèche la re-sélection immédiate d’une autre cellule.
  • La puissance mesurée de la cellule candidate est supérieure à un seuil sur une durée de timer

Par conséquent, un terminal qui se déplace très rapidement va parcourir une distance plus importante qu’un terminal à faible vitesse et donc s’éloignera davantage de la Serving Cell. L’atténuation étant au minimum proportionnelle au carrée de la distance le risque de la perte de la couverture radio est importante si la durée de T_reselection est fixe. Le SIB 3 apporte une valeur de timer T_reselection qui dépend de l’état de mobilité du terminal (normal, moyen élevé).

Autre exemple proposé par M Lagrange : imaginons un micro-cellule qui couvre un quai de gare et un train qui la traverse. Le signal reçu par un terminal à bord du train peut être élevé mais pendant un temps très court. Le terminal ne va pas la sélectionner.

Pour connaitre l’état de mobilité, le mobile compte le nombre de re-sélection sur une durée T_evaluation et

  • si ce nombre est inférieur à un seuil n-cell Change Medium la mobilité est dite normale,
  • si ce nombre est supérieur à un seuil seuil n-cell Change High la mobilité est dite élevée,
  • si ce nombre entre les deux, la mobilité est dite moyenne,

II-2) La re-sélection de la cellule

Lorsque la procédure de re-sélection est déclenchée, le mobile fait des mesures de la Serving Cell et des Cellules voisines (Neighbour Cell).

Trois cas sont à étudier :

  • La cellule candidate est de priorité supérieure
  • La cellule candidate est de même priorité
  • La cellule candidate est de priorité plus faible

Si plusieurs cellules candidates sont éligibles, un classement permet de sélectionner la cellule qui a la meilleure qualité radio.

Pour résumer, la re-sélection de cellule est définie par 2 critères (on suppose l’accessibilité de la cellule c’est-à-dire qu’elle n’est pas blacklistée) :

  • La priorité de la cellule
  • La qualité du lien radio

II-2-1) La choix de la cellule par priorité

Les opérateurs définissent un niveau de priorité (différents RAT et sur les différentes fréquences), diffusé par les messages SIB (SIB3, SIB4, SIB5, SIB6).

Priorité plus haute : critère Threshx,high

L’UE va camper sur la cellule de priorité la plus haute si les conditions radios et la qualité du signal sont suffisantes sur une durée suffisante.

L’opérateur défini un seuil Threshhigh qui permet au mobile de sélectionner la cellule tant que le critère de seuil est atteint sur la durée Treselection.

Priorité plus basse

L’UE va camper sur la cellule de priorité plus basses si les conditions radios et la qualité du signal sont suffisantes sur une durée suffisante.

L’opérateur défini un seuil ThreshLow qui permet au mobile de sélectionner la cellule tant que le critère est atteint sur la durée Treselection

Une valeur faible pour le seuil Thresh favorisera la re-sélection

II-2-2) Le classement des cellules de même priorité

Un classement de cellules de même priorité est basé sur le critère de rang R (Ranking). On compare ainsi Rs la valeur mesurée de la Serving Cell aux valeurs de rang Rn mesurées sur les cellules voisines

Equation 5 : Rs=Qmeas,s+Qhyst

Equation 6 : Rn= Qmeas,n-Qoffset

Avec Qmeas,s la puissance RSRP de la Serving Cell, Qmeas,n la puissance RSRP de la Neighbour Cell. La valeur Qhyst est un décalage pour éviter l’effet ping pong. La valeur Qoffset permet d’apporter un décalage pour une mesure intra-bande et un décalage inter-bande pour prendre en compte un affaiblissement plus faible lorsque la bande candidate est de plus basse fréquence (la mesure du RSRP de cette bande est donc meilleure).

Si une cellule voisine (Neihbourg Cell) est mieux classée que la Serving Cell (Rn>Rs) pendant la durée Treslection, alors la ré-selection de cellule s’opère.

La re-sélection de cellule : Part 1

Je remercie lMr e professeur Xavier Lagrange pour sa relecture et ses très bon conseils.

Introduction de M Lagrange :

  • l’opérateur déploie plusieurs bandes de fréquence. Sur chaque bande, une voie balise. A même puissance de transmission, le signal reçu sera d’autant plus puissant  que la fréquence est basse.
  • pour assurer une bonne couverture à l’intérieur des bâtiments, il y a recouvrement important entre les cellules surtout sur les fréquences basses et en extérieur.
  • En état de veille, un terminal est positionné (campe) sur une voie baise d’un eNB (et donc sur une bande de fréquence). S’il fait un accès, les premiers échanges UE-réseau se sont font cet eNB sur cette bande. Le réseau peut demander à un UE de changer d’eNB ou de bande (handover) mais cela a un coût de signalisation.
  • L’enjeu est donc de s’assurer que les terminaux sont harmonieusement répartis en veille sur les fréquences et dans les cellules. Il faut éviter que tous les terminaux sélectionnent le 700 MHz car cela créerait un engorgement sur cette bande.
  • Par ailleurs, les terminaux sont mobiles et les signaux radios reçus sont fluctuants. Il faut éviter qu’un terminal change très fréquemment de cellules ou de bande (par exemple plusieurs fois par secondes).
  • on définit donc
    • une règle de sélection ou non d’une cellule+bande qui vise à s’assurer que si le terminal l’utilise, le signal reçu de l’eNB est suffisant pour que l’UE décode correctement les messages ou données et le signal émis par l’UE est suffisant pour que l’eNB puisse le décoder. Il ne s’agit pas de sélectionner une cellule mais d’établir une liste (cf. articles précédents)
    • une règle de re-sélection. L’objectif est double : d’une part, établir une liste ordonnée en construisant un indicateur intégrant de nombreux paramètres pour déterminer la meilleure cellule, d’autre part, intégrer des mécanismes de stabilisation (via des hystérésis) pour éviter de trop rapides alternances. La cellule choisie n’est pas au final nécessairement la première dans la liste mais celle présentant le meilleur compromis

 

A la date d’écriture de l’article, le réseau 5G SA n’est pas encore déployé. L’article se concentre sur la sélection de cellule sur le réseau 4G [1].

La sélection ou re-sélection de cellule a lieu lorsque le mobile est à l’état RRC_IDLE. Lorsque le mobile est connecté avec le contrôleur, il est dans l’état RRC_CONNECTED et la re-sélection de cellule est réalisée par l’eNB : il s’agit du HandOver. Le HandOver est déclenché à partir des mesures reportées par le mobile vers l’eNB. Ces valeurs sont transmises lorsqu’un évènement (A1, A2, A3, A4, A5, B1 ; B2) a lieu. La configuration de ces évènements est transmise par l’eNB au mobile dans le message RRC_Reconfiguration. Ces évènements ne seront pas explicités dans cet article.

  1. Sélection de cellule

Lorsque le mobile s’allume, il cherche la meilleure cellule parmi les cellules candidates (cf. article : Sélection de cellules – Principes Généraux). Cette sélection de cellule est également réalisée après une perte de couverture radio et périodiquement lorsque l’UE n’est pas sur son réseau home HPLMN.

On appelle la Serving Cell, la cellule sur laquelle le mobile campe. La cellule est un secteur géographique couvert par une bande radio. Si la station de base exploite plusieurs bandes de fréquence alors le mobile doit sélectionner le réseau opérateur, le type d’accès radio (RAT 2G/3G/4G) et la bande radio la plus prioritaire.

Nous avons vu que la carte UICC contient la liste des PLMN et RAT (4G/3G/2G) avec un ordre de priorité.

La sélection de cellule s’effectue en recherchant d’abord le RAT prioritaire du réseau à partir des informations contenues dans la SIM et par comparaison avec le signal de diffusion SIB1 de la cellule candidate.

Même si la puissance du signal SIB1 est suffisante pour être décodée, le mobile doit vérifier que la cellule n’est pas blacklistée et que les critères de réception Srxlev et de qualité du signal Squal de la cellule candidate sont positifs.

Le calcul du critère Srxlev dépend de la puissance de réception RSRP (cf. article) et des seuils de configuration Qrxlevmin, Qrwlevelminoffset et Pcompensation Ces informations sont transmises dans le SIB1. Si une information est absente, le terminal prend 0 dB comme valeur de référence.

Equation 1: Srxlev= RSRP – (Qrxlevmin+Qrwlevelminoffset)-Pcompensation >0

Le terminal est définie par une puissance de transmission maximale (Ppowerclass). La puissance de compensation est le différence entre la puissance maximale de la cellule et la puissance maximale du mobile. Ainsi, sI la puissance de transmission du mobile (par exemple 17 dBm) est inférieure à la puissance maximale de la cellule (Pmax émis dans le SIB1 par exemple 23 dBm) alors la valeur de compensation est égale à 6 dB ce qui rend la sélection de la cellule plus difficile puisque  Srxlev >0

Le calcul du critère Squal dépend de la qualité de réception et de seuil de configurations Qqualmin, Qqualminoffset

Equation 2 : Squal= RSRQ – (Qqualmin+Qqualminoffset)>0

Si l’une des deux valeurs est négative, le mobile ne pourra pas déclencher la procédure d’accès aléatoire, et il cherche donc à sélectionner une cellule ou un RAT apportant une meilleure réception.

Qrxlevmin est le niveau de puissance minimal reçu au niveau du terminal qui lui permet d’accéder à la cellule.

Qqualmin est le niveau de qualité minimal calculé au niveau du terminal qui lui permet d’accéder à la cellule.

Les offsets Qrwlevelminoffset et Qqualminoffset sont utilisés pour la recherche périodique du HPLMN lorsque le mobile campe sur une cellule du réseau visité VPLMN. Cela permet de réduire la valeur Qrxlevmin/ Qqualmin et favoriser le critère du réseau home.

La détection d’une cellule est réalisée à partir des signaux de synchronisation PSS et SSS. A partir du PSS/SSS, le mobile récupère la valeur PCI (Physical Cell Identifier) de la station de base pour un RAT donnée. Ainsi, on peut déterminer une station de base à partir de son PCI et les cellules sur chacune des bandes auront le même indicateur PCI.

Pour voir un exemple de mesure, Cf article  https://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2024/03/06/les-identifiants-radios/

Note de M Lagrange : Utiliser le même PCI pour la même cellule et différentes bandes n’est pas obligatoire (Orange ne le faisait pas il y a encore quelques mois). Ce qui compte c’est le couple PCI-EARFNC

 

Sélection de cellules – Principes Généraux (Partie II)

Cet article est la suite de l’article précédent

2. Sélection du PLMN en mode automatique

L’information PLMN est transmise par la station de base aux UE via un message RRC (SIB1). La sélection du PLMN est réalisée au niveau de la couche 3 de l’UE en mode automatique à partir des données fournies par l’UICC à l’UE ou par l’utilisateur en mode manuelle (cf. mobile => Paramétrage => Réseaux Mobiles => Sélection réseaux)

La sélection d’un réseau de mobile PLMN (Public Land Mobile Network) est initiée par l’UE lorsque l’UE s’allume et la sélection se fait en deux étapes :

  • Classification des cellules les plus fortes reçue à partir du signal de synchronisation PSS/SSS par la couche physique dite procédure AS (Access Stratum). Cette classification de meilleure cellule est imposée par la norme 3GPP. D’autres études (non standardisées actuellement) explorent des sélections différentes basées par exemple sur la charge de la cellule [lien Thèse R.Pujol 9].
  • Lecture du PLMN au niveau de la couche 3 (information NAS) et sélection automatique de la cellule. La partie NAS de l’UE sélectionne la cellule et peut donc aussi refuser un type d’accès radioélectrique (RAT : Radio Access Type) si la cellule est considérée comme interdite (barrée ou barred).

Pour résumer, la sélection du PLMN est réalisée par la couche NAS de l’UE, et fournit une liste de PLMN à la couche AS sur lesquelles la couche AS pourra faire une sélection/re-sélection de cellules et le mobile campe sur cette cellule.

Une fois la cellule sélectionnée, l’UE conserve le PLMN et la fréquence de la cellule afin de sélectionner la même cellule lors de la prochaine mise sous tension du mobile ou après la perte de la couverture radioélectrique.

(En mode de veille), si le réseau PLMN correspondant n’est pas le réseau prioritaire indiqué par l’USIM, alors l’UE va régulièrement rechercher un PLMN prioritaire. La périodicité de la recherche est définie par l’opérateur dans la configuration de l’USIM. La valeur maximale est de 300 secondes.

Si l’UE perd la connexion radioélectrique, il peut sélectionner un PLMN équivalent ou choisir un RAT moins prioritaire.

La sélection de la cellule au niveau physique s’appuie sur la mesure en dBm de la puissance du signal RSRP (Reference Signal Received Power) de la cellule candidate. La cellule est éligible si le niveau de puissance est supérieur à un seuil de sélection compensé. Les informations sont transmises dans les messages RRC portant les informations systèmes SIB.

Dans le cas d’un accès radio NG-RAN, la station de base 4G (ng-eNB) est associée à un cœur de réseau 5GC. Ainsi la sélection d’une cellule eNB permet au mobile d’être potentiellement enregistré sur un cœur de réseau 4G ou 5G. C’est au niveau de la couche NAS que s’effectue le choix du cœur de réseau associée à la cellule sur laquelle l’UE campe.

Si l’UE ne trouve pas de cellule appropriée (ou si la carte SIM n’est pas insérée) alors le mobile entre dans l’état « service limité ».

La commande AT +CSRM permet récupérer le nom du réseau préféré, les réseaux interdits et de récupérer la valeur de temporisateur (périodicité de recherche d’un réseau plus prioritaire, …)

 

  1. Description des processus en mode de veille

Lorsque le mobile est en mode de veille, le standard 3GPP présente la liste de 4 processus suivants [TS36.304]

  • Sélection de PLMN
  • Sélection et re-sélection de cellule
  • Mise à jour de sa localisation TAI
  • Support pour une sélection manuelle d’un groupe d’abonnés pouvant s’attacher sur une femto CSG (Closed Subscriber Group).

La sélection du PLMN se fait en mode manuelle ou automatique à partir des mesures radioélectriques PSS/SSS effectuées par le mobile et après lecture du SIB1 pour chaque réseau détecté (PLMN disponible).

A partir des informations NAS, l’UE sélectionne une cellule (ou re-sélectionne une cellule) en fonction de la puissance de la plus forte cellule (mesures) appartenant à l’opérateur préféré (information NAS). La sélection de la cellule fournie au mobile l’identité de la zone de tracking TAI (Tracking Area Identity).

Si l’utilisateur dispose d’une femto-cell, il déclare la liste des UE pouvant se connecter à la femto. L’identité de la celllule CSG-ID est diffusé dans le SIB2 et seuls les UE qui appartiennent au groupe CSG peuvent sélectionner la cellule.

Figure 2 : Les processus dans le mode de veille

Le document [2] fournit la liste des fonctions supportées par la couche AS ou la couche NAS.

 

Références

[1] TS 23.122 V17.7.1 (2022-06) Non-Access-Stratum (NAS) functions related to Mobile Station (MS) in idle mode

[2] TS 36.304 v17.1.0 (Juin 2022), Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) procedures in idle mode

[3] TS 31.121 version 16.0.0 Release 16, UICC-terminal interface; Universal Subscriber Identity Module (USIM) https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/131100_131199/131121/16.00.00_60/ts_131121v160000p.pdf

[4] 3GPP TS 31.111, Universal Subscriber Identity Module (USIM) Application Toolkit (USAT)

[5] https://www.sharetechnote.com/html/Handbook_LTE_USIM_Parameters.html

[6] ETSI TS 102 221 : Smart cards; UICC-Terminal interface; Physical and logical characteristics

[7] https://www.gsma.com/newsroom/wp-content/uploads/SGP.02-v4.0.pdf

[8] https://www.gsma.com/newsroom/wp-content/uploads//IR.73-v5.0.pdf

[9] Romain Pujol, Association des utilisateurs dans les réseaux mobiles flexibles et agiles https://theses.hal.science/tel-03859479/file/these.pdf

 

La Mutualisation de l’accès radio : RAN SHARING

Je remercie Rafika Rezgui (responsable New Deal Bouygues Télécom ) et Hugues-Antoine ROUSSILLO (Chef de projet Programme Réglementaire Bouyues Télécom) pour la relecture et les explications fournies qui ont contribuées à l’amélioration de l’article.

I) La mutualisation du RAN – RAN SHARING

L’architecture des réseaux de mobiles fait une séparation entre le réseau d’accès radio (RAN Radio Access Network) et le cœur de réseau (CN : Core Network).

Le partage du réseau (Network Sharing) a pour objectif de réduire les coûts de déploiement en partageant une partie du réseau entre opérateurs.

Selon la définition de l’ARCEP [1]: le partage de réseaux mobiles correspond à la mise en commun entre plusieurs opérateurs de tout ou partie des équipements constituant leurs réseaux mobiles.

 On distingue ainsi plusieurs solutions sur le partage de l’accès radio :

  • Location de site (Tower Companies)  nommée partage d’infrastructure passive : chaque opérateur installe ses équipements actifs (antennes mobiles) sur une infrastructure passive partagée (pylône) ;
  • La mutualisation active des réseaux (RAN Sharing)
    • Avec partage de fréquences MOCN (Multi-Operator Core Network) : la station de base (ou le cœur d’accès radio) est connectée au cœur de réseau de plusieurs opérateurs et les porteuses de fréquence de chaque opérateur sont combinées. Les clients d’un opérateur peut donc accéder à l’ensemble des fréquences de l’ensemble des opérateurs [2]
    • MORAN (Multi-Operator RAN) : La station de base est partagée entre plusieurs opérateurs mais chaque opérateur dispose de sa propre bande de fréquence. Les équipements mis en place par un des opérateurs émettent les fréquences des autres opérateurs mais chaque client n’a accès qu’aux fréquences de son opérateur. (exemple : Accord Crozon entre SFR et Bouygues)
  • Full MVNO ou itinérance : un opérateur loue et utilise les fréquences d’un autre opérateur hôte qui accueille sur son réseau ses clients
  • L’architecture GWCN (Gateway core network) pour laquelle plusieurs opérateurs partagent l’accès RAN et l’entité MME. L’entité MME doit évidemment supporter l’option RAN Sharing et doit pouvoir délivrer une liste de restriction d’eNB pour la continuité d’appels HO (Handover).

Figure 1 : La mutualisation du réseau de mobiles [1]

II) Exemple du New Deal

L’accord New Deal est un engagement imposé par le gouvernement aux opérateurs Français pour avoir une bonne couverture du réseau mobile. Cet engagement est encadré par l’ARCEP qui définit La notion de « bonne couverture ».

Une bonne couverture permet de téléphoner et d’échanger des SMS à l’extérieur des bâtiments dans la plupart des cas, et, dans certains cas, à l’intérieur des bâtiments (cf. https://www.arcep.fr/cartes-et-donnees/nos-cartes/la-couverture-4g-en-france-par-departement.html)

Le New Deal s’appuie sur la mutualisation radio (RAN SHARING). Le « New Deal » a pris la forme d’un « gentlemen’s agreement » matérialisé dans un échange de lettres, suivies d’annonces.

Le new deal utilise la mutualisation de l’accès radio (RAN Sharing) avec partage de fréquence (MOCN) ou sans partage de fréquence (MORAN).

La mutualisation MOCN est favorisée dans les zones blanches et la mutualisation MORAN dans les zones moins denses. Toutefois, Hugues-Antoine ROUSSILLO précise : « en cas de charge, la bande passante est limitée à ¼ des ressources par opérateur en MOCN ».

III) Les évolutions du spectre radiomobile

A partir de 2024, les plans de fréquences à 900 MHz, 1800 MHz et 2100 MHz seront équilibrés entre les opérateurs (suivant [3]) :

Tableau 1 : Bande de 900 MHz

Tableau 2 : Bande de 1800 MHz

Tableau 3 : Bande de 2100 MHz

Notes 

Le NB-IoT ne supporte pas le RAN SHARING (jusqu’à la R.17)

 

Références

[1] https://www.arcep.fr/la-regulation/grands-dossiers-reseaux-mobiles/le-partage-de-reseaux-mobiles.html

[2] Rapport de la cours de comptes : Réduire la fracture numérique mobile (Juin 2021) : https://www.ccomptes.fr/sites/default/files/2021-09/20210928-58-2-reduire-fracture-numerique-mobile-4G.pdf

[3] Décision n° 2018-1306 du 23 octobre 2018 : https://www.legifrance.gouv.fr/jorf/id/JORFTEXT000038057322

Déploiement de la 5GC

  1. Architecture du cœur de réseau 5GC

Le cœur de réseau 5GC est déployé selon l’architecture a 3 niveaux :

  • les instances des fonctions réseaux sont exécutées au sein de DataCenter central
  • un Datacenter régional avec le plan de trafic
  • un Datacenter de proximité (Edge Datacenter) avec le MEC et le CDN

Figure 1 : Architecture 3 niveaux [1]

      2. Fiabilité du réseau : Redondance

Afin de fiabiliser le cœur de réseau, le déploiement des fonctions 5G s’appuient sur la redondance de fonctions dans des Datacenter séparés (DC1/DC2) selon une approche active/active, active/passive ou sur une redondance dans un pool.

La redondance active ou passive sont mises en œuvre pour les fonctions NRF, NSSF, SMSF, UDM, et UPCF alors que la redondance par pool est utilisée pour les fonctions AMF, SMF et UPF.

II-a) La redondance active/passive

La redondance active/passive représente une paire de fonction NF et seule la fonction active apporte le service demandé, la fonction passive est vue comme un backup. Les deux NF échangent un message Heartbeat (battement de cœur) c’est-à-dire un ping envoyé à un intervalle de pulsation régulier configuré.

Figure 2 : La redondance active/passive

Le HeartBeat est un système de haute disponibilité sous Linux (LinuxHA High Availability), mettant en cluster, c’est-à-dire en groupe, plusieurs fonctions. Le processus Heartbeat se chargera de passer les communications aux serveur actif si celui-ci est vivant et au serveur passif le cas échéant.

Sous linux, installez le paquet Heartbeat (apt-get install heartbeat)
et configurez le fichier /etc/heartbeat/ha.cf de la même manière
sur les deux serveurs.

II-B) La redondance active/active

La redondance active/active chaque NF déployée sur 2 DC différents répondent aux services demandés. Les données de backup peuvent être transmises d’une NF active à une autre, mais n’est pas obligatoire.

II-C) La redondance par pool

Les fonctions NFs sont regroupées dans un pool et chaque NF répond aux services demandés. Quand une fonction NF tombe en panne, les autres prennent le relai.

Les fonctions AMF sont regroupées selon l’architecture mesh, c’est-à-dire décentralisée et par type de service à supporter.

Un pool de SMF permet de connecter plusieurs SMF pour contrôler plusieurs UPF sur une zone radio donnée

Figure 3 : Le regroupement des NF

II-D) La surveillance des états

Les fonctions NF du cœur de réseau vérifient l’état des autres fonctions NF couplées via des messages ping à travers l’interface SBI ou des notifications de souscriptions pour la fonction NRF.

Sur l’interface point à point, les fonctions NF vérifient le lien à travers des messages Heartbeat via l’association SCTP ou le lien PFCP.

Figure 4 : La surveillance des états [1]

La fonction NRF est la première instance qui est exécutée lorsqu’on souhaite démarrer un nouveau cœur de réseau. Le NRF répertorie toutes les fonctions réseaux NF. Lors de la procédure de démarrage, une fonction NF vient s’enregistrer au niveau du NRF via une requête http.

Figure 5 : L’enregistrement de la fonction SMSF [2]

Pour la fiabilité du réseau, la fonction NRF fonctionne par paire : les opérateurs copient de manière active le NRF du DC1 vers le DC2.

La fonction NSSF assure la mise en œuvre du network slicing. Pour la fiabilité du réseau, les opérateurs déploient une paire de NSSF.

 

[1] Huawei : Deploy and apply 5G Core

[2] https://nickvsnetworking.com/if-you-like-pina-coladas-and-service-the-control-plane-intro-to-nrf-in-5gc/

 

Le déploiement d’un réseau 5G SA (cloud privée ou publique)

I) Introduction

L’évolution de la 4G vers la 5G n’est pas uniquement une virtualisation des entités 4G (ex: DECOR ou eDECOR – Dedicated Core) mais un déploiement automatisé des fonctions réseaux sur une architecture basée sur les services (SOA).

Une application est dite « native pour le cloud », lorsqu’elle est conçue autour d’instances gérées de façon automatisée dans les clouds privés, publics et hybrides. Aujourd’hui, les entreprises adoptent le Cloud Computing  [1] pour améliorer l’évolutivité et la disponibilité de leurs applications.

Le principal avantage d’une stratégie cloud-native est qu’elle permet d’accélérer le développement des applications dont les ressources de calcul sont réparties dans différents environnements [2].

Selon [1], « le cloud computing consiste à exécuter des charges de travail dans des clouds, des environnements qui dissocient, regroupent et partagent des ressources évolutives sur un réseau. »

Les concepteurs DevOps réalisent une architecture composée de ressources en libre-service et à la demande ainsi qu’à l’automatisation du cycle de vie des applications (de la phase de développement jusqu’à la production).

La 5G est dite cloud Native, la 3GPP propose une architecture composée de fonctions réseaux (NF) faiblement couplées. Une fonction réseau peut être découpée en microservices qui communiquent entre elles via des interfaces de programmation d’application (API).

Dans une architecture de microservices, les applications sont décomposées en éléments les plus simples et indépendants.

Les interfaces de programmation d’application (API) sont des ensembles d’outils, de définitions et de protocoles qui facilitent la création de fonctions d’applications (réseau). Elles connectent les producteurs de services et les consommateurs de services sans connaître les détails de leur mise en œuvre [1].

Le modèle DevOps est une approche d’automatisation et de conception de plateformes pour une solution logicielle complexe [3].

II) Cloud Public, privé, hybride, multicloud

Selon [1] :

Cloud Public : Environnements cloud créés à partir de ressources qui n’appartiennent pas à l’utilisateur final et qui peuvent être redistribuées à d’autres clients.

Cloud Privé : Généralement décrits comme des environnements cloud réservés à l’utilisateur final, la plupart du temps à l’intérieur du pare-feu et parfois sur site.

Cloud hybride : Plusieurs environnements cloud qui offrent différents degrés de portabilité, d’orchestration et de gestion de la charge de travail.

Multicloud : Systèmes informatiques qui comprennent au moins deux clouds (privés ou publics) qui peuvent être mis en réseau ou non.

Un cloud public est un pool de ressources virtuelles, créées à partir de matériel détenu et géré par une entreprise tierce, qui sont automatiquement provisionnées et allouées à différents clients via une interface en libre-service. Il s’agit d’une méthode simple qui permet de faire évoluer les charges de travail soumises à des fluctuations imprévues de la demande.

Déploiement de la 5G SA sur un Cloud Public

Les entités du coeur de réseau 2G/3G/4G stockent des informations, nommées contextes, relatives aux utilisateurs ou à l’association de couche transport (Tunnels). Ces contextes doivent être résilientes à toutes pannes.

La 3GPP propose une architecture sans état (Stateless) pour optimiser le déploiement des fonctions réseaux, en découplant le stockage des contextes et les couches applicatives. Les données sont sauvegardées dans des fonctions UDSF (Unstructured Data Storage Function [5]).

A titre d’exemple, le Cloud Public Amazon propose Elasticache et Google propose Google Cloud Memorystore, l’un et l’autre surtout connus pour leur capacité à sauvegarder des données en mémoire rapide de type NoSQL (REDIS : Remote Dictionary Server – Serveur de dictionnaire à distance).

Le découpage du réseau en tranche (Network Slicing) s’appuie sur l’architecture Cloud Native et les technologies SDN/NFV pour apporter des services à faible latence, haut débit, …

Les microservices n’ont pas nécessité de s’appuyer sur des conteneurs, néanmoins les solutions K3s ou K8s apportent plus de la flexibilité et de la scalabilité des fonctions réseaux par rapport aux VM.

Dans le cas de l’architecture NFV [6], une solution basée sur les VM nécessite des gestionnaires spécifiques S-VNFM (vendor-specific VNF manager) ou générique (generic VNF manager) pour la gestion des durées de vie des VMs.

Une application basée sur Kubernetes permet de gérer la durée de vie des conteneurs et des fonctions réseaux NF.

Les conteneurs permettent de gérer efficacement les fonctions du cœur de réseau (AMF/SMF/…).

Par contre les fonctions UPF sont plutôt distribués sur les MEC et la localisation étant imposée, la gestion par VM est plus efficace.

L’approche Cloud Native impose également un seul protocole http2 entre les fonctions réseaux, à l’exception du protocole PFCP sur l’interface N4.

Au niveau du plan de transport, l’établissement d’une session PDU signifie que le réseau 5G transporte du trafic Ethernet, IP ou non structuré. L’utilisation de PoD multi-homed permet d’avoir plusieurs interfaces et permet aussi de gérer différents protocoles (SCTP par exemple)

[1] https://www.redhat.com/fr/topics/cloud

[2] https://www.redhat.com/fr/topics/cloud-native-apps

[3] https://www.redhat.com/fr/topics/cloud-native-apps

[4] https://d1.awsstatic.com/whitepapers/5g-network-evolution-with-aws.pdf

[5] TS 21.195

[6] https://www.etsi.org/technologies/nfv

Evolution de la pile protocolaire LTE vers NR (3/5)

La couche RLC

La couche RLC (Radio Link Control) a pour rôle de contrôler le lien de données c’est-à-dire :

  • Le Transfert de PDU vers la couche PDCP selon l’un des trois modes suivants
    • Acquitté AM (Acknowledged Mode)
    • Non Acquitté UM (Unacknowlege Mode)
    • Transparent TM (Transparent Mode)

L’optimisation de la transmission des données est réalisée par l’utilisation d’une fenêtre d’émission et de réception.

  • La correction d’erreur en mode AM par la retransmission d’un RLC PDU perdu
  • La segmentation et le réassemblage des RLC SDU (Mode AM et UM)
  • La re-segmentation de données RLC PDU car le RLC PDU en entier ne peut pas être transmis

 

Afin d’optimiser le contrôle des flux, les fonctions suivantes, réalisées au niveau du RLC-LTE, sont implémentées sur la sous-couche MAC ou PDCP:

  • la concaténation, réalisée au niveau de la couche LTE RLC est mise en œuvre sur la couche NR MAC.
  • La mise en ordre des données, réalisé au niveau de la couche LTE RLC est maintenant réalisée au niveau de la couche NR PDCP.

 

Une entité RLC est établie par la couche RRC afin de monter un bearer radio DRB. L’unité de service de données RLC SDU est issue de la couche PDCP (cf. figure 2) et un numéro de séquence SN (Sequence Number) est assigné à la transmission du RLC PDU et incrémenté à chaque transmission.

L’entité TM RLC transporte (cf. figure 2) les canaux logiques de diffusions BCCH et de notification (Paging : PCCH) et les supports de signalisation SRB0 [FL4].

Les supports de signalisation, autre que le SRB0, sont transmis sur l’entité AM RLC et les supports DRB peuvent être transmis sur une entité AM RLC et une ou deux entités UM RLC.

L’entité UM RLC est mise en oeuvre pour des services en temps réel dont la perte de paquets est acceptable, comme les services multimédias (VoLTE), streaming. L’entité UM RLC est configurée en émission ou réception (uni-directionnel UL ou DL) et supporte la fonction de segmentation.

L’entité AM RLC est mise en œuvre pour des services sensibles à la perte de données et la transmission de rapport de statut. Le protocole ARQ est gérée pour la retransmission des paquets perdus. L’entité AM RLC est bi-directionnelle.

Le RLC PDU est transmis à la couche MAC selon les exigences attendues par la couche MAC (ordonnancement). Ainsi, la couche RLC met en œuvre la segmentation pour adapter la taille du paquet à la MAC SDU et réduire le padding.

La gestion des erreurs pour le mode de transmission AM est mise en œuvre par le protocole ARQ (Automatic ReQuest) au niveau de la couche RLC.

La fonction de segmentation

La fonction de segmentation permet à la couche RLC à l’émission de découper les paquets PDCP PDU qui seront multiplexés par la couche MAC vers un MAC PDU. La couche RLC en réception réalise l’opération inverse, en assemblant les RLC SDU et fournir un PDCP PDU à partir des séquences reçues et numérotées SN.

Figure 7 : Segmentation RLC SDU

La fonction de concaténation n’étant plus assurée au niveau de la couche RLC, les en-têtes RLC augmentent lorsque plusieurs RLC SDU sont multiplexées dans une MAC PDU.

Le nombre de RLC SDU dépend de la taille du bloc de transport TB MAC. Si la taille du bloc de transport n’est pas suffisante alors le paquet de données RLC PDU est segmenté.

Au niveau de l’en-tête RLC PDU, les champs :

  • SI Segment Information indique sur le RLC PDU contient
    • SI =00 un RLC SDU en entier (provenant de la couche PDCP)
    • un segment du RLC SDU (SI=01 début du segment, SI=10 le milieu ou SI=11 la fin du segment)
  • SO Segment Offset indique le décalage en octet du segment du segment par rapport au RLC SDU initial.

Par exemple, le 3ème RLC SDU est segmenté en deux partie : 1000 octets sont transmis dans le 1er segment et 231 octets dans le deuxième segment.

Figure 8 : La segmentation d’un RLC PDU

Figure 9 : La transmission de segments RLC PDU [2]

Pour réduire la taille des en-têtes, il existe deux structures de la MAC PDU pour le mode UM. La figure 10 présente une première structure sans segmentation. On ne transmet pas le numéro de séquence SN car celui-ci ne sert qu’à différencier les différents segments de service RLC SDU dans le RLC PDU.

Figure 10 : Structure RLC PDU en mode UM

Figure 11 : Structure RLC PDU en mode UM

Le protocole ARQ

Dans le cas de transmission en mode acquittée, le protocole ARQ s’appuie sur le numéro de séquence SN pour vérifier qu’aucun segment SDU n’a été perdu lors de la transmission.

Trois fonctions sont implémentées :

  • Interrogation (polling) demandée par l’entité RLC émettrice permet de déclencher un rapport d’état au niveau de la couche RLC réceptrice. Le déclenchement est émis au bout d’un certain nombre de SDU reçus (numéro SN) ou à l’expiration d’un temporisateur. En absence de réception du rapport, l’entité RLC émettrice n’émet pas de nouveaux RLC PDU.
  • Emission d’un rapport d’états, émis par la couche RLC réceptrice permet d’indiquer à la couche RLC émettrice la réception de tous les RLC SDU ou les RLC SDU/segments RLC SDU manquants. Les RLC SDU manquants sont explicitement indiqués par le numéro de séquence SN et en cas de segment, le décalage SO correspondant. Si tous les SDU RLC sont reçus, alors la couche RLC émettrice transmet dans son rapport la valeur de séquence SN la plus haute.
  • Retransmission est effectuée par la couche RLC émettrice en se basant sur le rapport d’état. Le nombre maximum de retransmission est configuré par la couche RRC à l’entité RLC émettrice. Lorsque ce nombre est atteint, la couche RLC émet une notification d’échec du lien radioélectrique RLF (Radio Link Failure). Le ré-établissement d’une entité RLC est contrôlé par le message RRC re-establishment [FL4]

 

 

[1] 3GPP TS 38.322

[2] [https://www.techplayon.com/5g-nr-rlc-um-mode-data-transmission/

[FL4] : https://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2023/03/21/les-supports-de-signalisation-srb-signaling-radio-bearer/