La sécurité des réseaux mobiles – Part 5

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La sécurité sur les réseaux de mobiles – Part 1

La sécurité sur les réseaux de mobiles – Part 2

La sécurité sur les réseaux de mobiles – Part 3

La sécurité des réseaux mobiles – Part 4

II-3) La sécurité sur le réseau 5G

Le réseau 5G exploite les protocoles de sécurité pour l’authentification et la mise en sécurité des données comme en 4G.

Toutefois, l’abandon du protocole DIAMETER au profit du protocole http2 nécessite l’ajout de nouvelles entités afin de garantir une sécurité entre le réseau home et les réseaux visités avec l’architecture SBA (se référer à l’article :

http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2021/02/26/architecture-sba-du-reseau-5g-microservices-et-soa/).

On distingue différents niveaux de sécurité :

  • sur le réseau d’accès radio, le réseau 5G va étendre la sécurité sur l’accès radioélectrique WiFi ;
  • sur le domaine réseau, le vecteur d’authentification calculé par l’entité UDM de l’opérateur Home (HE AV : Home Environment Authentication Vector) est modifié par la fonction AUSF afin d’être transmis au réseau visité ;
  • sur l’interconnexion du réseau visité et du réseau nominal, un proxy de sécurité (SEPP) est déployer pour remplacer l’agent DIAMETER DEA permettant la mise en œuvre d’un tunnel sécurisé (certificat) entre le réseau Home et le réseau Visité.

L’authentification exploite soit l’algorithme 5G-AKA soit l’algorithme EAP-AKA’.

II-3-1) Authentification 5G-AKA

La procédure d’authentification AKA repose dans un premier temps sur l’identification du demandeur.
Dans le cas du réseau 4G, le mobile transmettait son identifiant IMSI.

Pour le réseau 5G, l’identité de la carte SIM transmise est soit le SUPI (Subscriber Permanent Identifier) soit le SUCI (Subscription Concealed Identifier).

L’authentification est basée sur le protocole AKA avec une clé symétrique Ki de 128 bits ou 256 bits. La clé Ki est sauvegardée dans la fonction ARPF (Authentication credential Repository and Processing Function) de l’entité UDM.

II-3-1-1) Procédure d’identification : amélioration de la sécurité en masquant l’identité IMSI

L’identité SUPI est similaire à l’identifiant IMSI : elle est composée d’un code pays MCC (Mobile Country Code), d’un code opérateur MNC (Mobile Network Code) et d’un identifiant unique par opérateur MSIN (Mobile Subscriber Identification Number).

L’identité SUCI est une version chiffrée du champ MSIN du SUPI. L’identité chiffrée est calculée par une méthode de chiffrement asymétrique hybride appelée ECIES (Elliptic Curve Integrated Encryption Scheme). Ce chiffrement est réalisé par la carte UICC.

La fonction SIDF (Subscription Identifier De-concealing Function) implémentée au niveau de l’UDM à pour rôle de déchiffrer le SUCI à partir d’une clé publique. Une fois le SUCI déchiffrée, la fonction SIDF transmet l’identité SUPI à l’UDM afin de procéder à l’identification de la carte UICC.

La méthode ECIES s’appuie sur les travaux de Diffie-Hellman. Cette méthode permet de déchiffrer un message à partir de l’échange d’une clé publique (cf. figure 13).

La carte UICC crée une clé privée en générant un nombre aléatoire dA. A partir de cette clé privée dA, la carte UICC calcule une clé publique QA. La clé publique QA est calculée à partir de la clé privée et d’un gradient G correspond à la courbe elliptique (cf. paramètre secp256k1). La clé publique QA est transmise à la fonction SIDF.

La fonction SIDF calcule un nombre aléatoire r qui constitue sa clé privée. A partir de sa clé privée, la fonction SIDF calcule :

  • sa clé publique R (par la même méthode que la carte UICC c’est-à-dire par le gradient G)
  • une clé symétrique S. Cette clé est calculée à partir de son nombre aléatoire r et la clé publique QA.

La fonction SIDF transmet sa clé publique, ce qui permet à la carte UICC de dériver la clé symétrique S. Le site [10] présente l’algorithme sous Python.

Figure 17 : Le calcul de la clé de chiffrement pour le SUCI

A chaque demande d’enregistrement, l’identité privée et cachée SUCI est calculée à partir de l’identifiant SUPI mais l’algorithme de chiffrement garanti une valeur de SUCI différente à chaque fois. La méthode ECIES permet à la fois la confidentialité du demandeur mais en plus la non traçabilité. Toutefois, il a été montré qu’un attaquant pouvant identifier un téléphone et le tracer [11].

Lorsque la fonction SIDF a déchiffré le SUCI, l’entité UDM récupère l’identifiant SUPI. L’UDM démarre ainsi sa procédure d’authentification : l’UDM fournit un aléa RAND, le sceau d’authentification du réseau home AUTN, le résultat d’authentification attendue au niveau du mobile et une clé de dérivation KSEAF.

II-3-1-2) Procédure d’authentification : amélioration de la sécurité en authentifiant le client sur le réseau nominal

La procédure d’authentification en 5G est similaire à la procédure 4G, mais quelques différences permettent d’améliorer l’authentification dans le cœur de réseau.

En effet, l’authentification est contrôlée dans le réseau nominal, et le réseau nominal utilise l’identité du serveur visité SNid (Serving Network Identity) pour dériver une clé d’ancrage KSEAF. Ainsi, la clé d’ancrage est spécifique au réseau visité. La clé KSEAF joue le rôle de la clé KASME pour la 4G.

Le réseau de mobiles 5G a introduit une fonction d’ancrage de sécurité SEAF (Security Anchor Function) au niveau du réseau visité (couplée à la fonction AMF). La fonction SEAF peut rejeter l’authentification du mobile mais il fait confiance au réseau nominal du mobile pour accepter l’authentification.

L’authentificateur du réseau nominal est la fonction AUSF (Authentication Server Function). La fonction AUSF s’appuie sur le serveur d’authentification UDM (Unified Data Management) qui fournit le vecteur d’authentification dans l’environnement nominal HE AV (Home Environment Authentication Vector). Le vecteur d’authentification dans l’environnement nominal contient :

  • l’aléa RAND ;
  • le sceau d’authentification du réseau AUTN ;
  • le résultat d’authentification RES ;
  • la clé KAUSF.

Le fonction AUSF transmet à la fonction AMF (du réseau nominal ou du réseau visité) le vecteur d’authentification AV qui contient l’aléa RAND, le sceau d’authentification AUTN, le résultat d’authentification hashé XRES et la clé d’ancage KSEAF.  Cette différence par rapport à la méthode 4G-AKA constitue la méthode d’authentification 5G-AKA ou EAP-AKA’.

A l’instar des réseaux 3G/4G, le jeton d’authentification AUTN contient le numéro de séquence SQN et la clé d’anonymat AK.

La fonction AMF du réseau visité réalise une deuxième authentification. La clé d’ancrage KSEAF est également utilisée par la fonction AMF lorsque le mobile s’accroche à un point d’accès WiFi. Grâce à la clé d’ancrage, il n’est plus nécessaire de réaliser une nouvelle procédure d’authentification lorsque le mobile, préalablement attaché sur le réseau 5G via l’accès 3GPP bascule sur un accès WiFi.

Ainsi, en 5G la procédure d’authentification 5G-AKA ou EAP-AKA’ peuvent être utilisées pour authentifier le mobile sur un réseau d’accès WiFi.

Figure 18 : La procédure d’authentification 5G [12]

 

A partir de la clé privée Ki et de l’aléa RAND, la fonction ARPF calcule :

  • soit la clé de chiffrement CK’ et la clé d’intégrité IK’ si l’algorithme EAP-AKA’ est utilisée ;
  • soit la clé KAUSF si l’algorithme 5G-AKA est utilisée.

Pour l’algorithme 5G-AKA, la clé KAUSF est transmise à la fonction AUSF.

Pour l’algorithme EAP-AKA’, les clés CK’ et IK’ sont transmises à la fonction AUSF. A partir de ces deux clés, la fonction AUSF dérive la clé KAUSF.

A partir de la clé KAUSF, la fonction AUSF dérive la clé KSEAF.

Au cours de l’étape 6, la fonction AUSF effectue un hachage de la valeur d’authentification attendue. Le calcul est basé sur l’algorithme HMAC-SHA-256 et utilise l’identifiant SNid du réseau visité. Le mobile ayant connaissance de l’identifiant SNid pourra calculer la valeur hashée.

Une fois authentifié sur le réseau visité, la fonction AMF informe la fonction AUSF de la réussite de l’authentification. C’est à l’issu de cette première authentification que la clé KSEAF sera transmise à la fonction SEAF. La fonction SEAF est réalisée par l’AMF.

L’architecture protocolaire de la station de base 5G est similaire à celle de la 4G, avec l’ajout d’une fonction SDAP pour la gestion de la QoS du trafic IP.

Ainsi, le chiffrement et l’intégrité du lien radioélectrique sont gérés par le protocole PDCP.

A l’issu de la phase d’authentification, à partir de la clé privée Ki et de l’aléa RAND :

  • la fonction ARPF de l’entité UDM génère un aléa RAND, le résultat attendu XRES et le sceau d’authentification pour former le vecteur d’authentification HE AV
  • la fonction ARPF de l’entité UDM calcule les clés CK’ et IK’ ou la clé KAUSF à partir de la clé Ki et de l’aléa RAND;
  • l’entité AUSF dérive la clé KSEAF. La clé KSEAF ne sera transmis uniquement à la fonction SEAF de l’AMF après que l’authentification ait abouti sur le réseau visité ;
  • la fonction SEAF dérive la clé KAMF;
  • à partir de la clé KSEAF, la fonction AMF dérive les clés KNASenc, KNASInt, KgNB et la clé KN3IWF;
  • la clé KgNB est transmise à l’entité gNB qui dérive les clés Kupint, Kupenc, kRRCint, KRRCenc.

Les clés de chiffrements utilisées sont :

  • KNASenc pour le chiffrement des messages NAS (UE <-> MME) ;
  • Kupenc pour le chiffrement des messages de données sur l’interface radioélectrique ;
  • KRRCenc pour le chiffrement des messages de contrôle (signalisation) sur l’interface radioélectriques.

Les clés d’intégrités utilisées sont :

  • KNASint pour la signature MAC des messages NAS (UE <-> MME) ;
  • KRRCint pour la signature des messages de contrôle (signalisation) sur l’interface radioélectriques ;
  • Optionnellement (non mis en œuvre en 4G et optionnel en 5G), Kupint pour la signature des messages de données.

Figure 19 : La procédure d’authentification sur le réseau 5G

 

 

La sécurité des réseaux mobiles – Part 4

Les précédents articles sur le même sujet :

La sécurité sur les réseaux de mobiles – Part 1

La sécurité sur les réseaux de mobiles – Part 2

La sécurité sur les réseaux de mobiles – Part 3

II-2) La sécurité sur le réseau 4G

Le réseau en 4G est en réseau en tout IP, et par conséquent, plus sensible sur la sécurité IP. Au niveau de l’accès radioélectrique, la station de base 4G, nommé eNB, rassemble le contrôleur RNC avec la station de base.

Ainsi, le protocole PDCP se situe au niveau de l’eNB. Le chiffrement et l’intégrité sont réalisés par l’eNB en 4G.

Les algorithmes de chiffrement et d’intégrité ont été partiellement redéfinis dans le cas des réseaux de quatrième génération. Ils s’appuient sur deux algorithmes, respectivement fondés sur Snow 3G et AES.

Ainsi, deux standards ont été proposés pour la 4G :

  • chiffrement : Algorithme EEA (EPS Encryption Algorithm) ;
  • intégrité : Algorithme EIA (EPS Integrity Algorithm).

A partir de l’algorithme SNOW3G [6], la 3GPP propose les algorithmes 128-EEA1/128-EIA1.

A partir de l’algorithme AES (Advanced Encryption Standard), la 3GPP propose les algorithmes 128-EEA2/128-EIA2.

A partir de l’algorithme ZUC [7], la 3GPP propose les algorithmes 128-EEA3/128-EIA3.

Tableau 1 : La méthode de chiffrement et la complexité

Les clés de chiffrement et d’intégrité sont calculées à partir de la clé Ki privée et du numéro aléatoire (aléa RAND) fournit au mobile pour l’authentification. Nous allons donc revenir sur la procédure d’authentification en 4G.

Figure 12 : La procédure d’authentification 4G

Se référer aux articles :

La figure 12 présente la procédure d’attachement avec le calcul des clés et les algorithmes associés :

Figure 13 : Procédure d’authentification 4G [8]

Comme en 3G (se référer à la figure 6), le jeton d’authentification contient trois champs :

  • le numéro de séquence SQN embrouillé avec la clé d’anonymat A;
  • la valeur du champ d’authentification AMF ;
  • la signature MAC du message.

La signature est calculée par l’algorithme f1.

Les clés Ck, IK, AK et le résultat d’authentification du mobile RES sont calculés par les algorithmes f2, f3, f4 et f5. La spécification [9] fournit les algorithmes en langage de programmation C.

Figure 14 : le calcul des clés pour la procédure d’authentification en 4G

La carte USIM contient la clé privé Ki, la valeur AMF et une valeur OP. OP est une valeur codée sur 128 bits qui est définie par l’opérateur nominal. La clé peut être publique ou secrète. La clé OPc est dérivée de la clé OP à partir de la clé Ki. La clé OPc est stockée dans la carte UICC.

La carte UICC stocke la valeur SQN (cette valeur change à chaque authentification).

Figure 15 : L’algorithme MILENAGE [9]

A l’issu de la phase d’authentification, à partir de la clé privée Ki et de l’aléa RAND :

  • L’entité HSS dérive les clés CK et IK;
  • l’entité HSS dérive la clé KASME à partir de Ck et Ik;
  • l’entité MME dérive les clés KNASenc, KNASInt, KeNB à partir de la clé KASME;
  • l’entité eNB dérive les clés Kupint, Kupenc, kRRCint, KRRCenc.

Les clés de chiffrements utilisées sont :

  • KNASenc pour le chiffrement des messages NAS (UE <-> MME) ;
  • Kupenc pour le chiffrement des messages de données sur l’interface radioélectrique ;
  • KRRCenc pour le chiffrement des messages de contrôle (signalisation) sur l’interface radioélectriques.

Les clés d’intégrités utilisées sont :

  • KNASint pour la signature MAC des messages NAS (UE <-> MME) ;
  • KRRCint pour la signature des messages de contrôle (signalisation) sur l’interface radioélectriques ;
  • Optionnellement (non mis en œuvre en 4G et optionnel en 5G), Kupint pour la signature des messages de données.

La fonction USIM sur la carte UICC réalise l’étape 1 (dérive les clés CK et IK ). Le mobile dérive toutes les autres clés (étapes 2 à 4).

Figure 16 : Le calcul des clés en 4G

Si le mobile fait une procédure d’accès sur le réseau WiFi, le cœur de réseau 4G réalise une nouvelle procédure d’authentification par la méthode EAP-AKA. Celle-ci est décrite en section 3.

Les deux faiblesses de la méthode d’authentification EPS-AKA sont :

  • la transmission en clair de l’identité IMSI. Même si un identifiant temporaire GUTI (Globally Unique Temporary Identity) est ensuite utilisé pour cacher l’identité IMSI sur l’interface radioélectrique LTE, cette identifiant n’est pas modifié assez fréquemment, et l’identité est prédictible. De plus, un réseau pirate peut demander au mobile de retransmettre son identité IMSI en clair ;
  • le réseau nominal fournit au réseau visité le vecteur d’authentification. Il délègue la décision d’authentification au réseau visité.

 

La sécurité sur les réseaux de mobiles – Part 2

  1. L’authentification sur le réseau 2G

Sur le réseau 2G, le serveur d’authentification est l’entité HLR (Home Location Register). La fonction AuC (Authentification Center, fonction d’authentification du HLR), génère un numéro aléatoire aléa RAND sur 128 bits qui constitue le défi (figure 1).

Le protocole d’authentification utilisé dans les réseaux GSM repose sur l’algorithme COMP128. L’algorithme COM128 implémente deux fonctions : la fonction A3 pour l’authentification et la fonction A8 permettant de dériver la clé de chiffrement. Les fonctions A3 et A8 ne sont pas normalisées, ce qui signifie que les opérateurs sont libres d’utiliser des algorithmes propriétaires non publics.

A partir du numéro aléatoire RAND et de la clé privée Ki, la fonction A3 calcule un résultat nommé SRES sur 32 bits, et la fonction A8 calcule une clé Kc de longueur 64 bits (figure 1).

Figure 1 : L’algorithme COMP128

L’entité HLR transmet le triplet d’authentification (RAND, SRES, Kc) à l’authentificateur VLR/MSC (Visitor Local Register/Mobile Switch Center – commutateur mobile). L’authentificateur MSC transmet l’aléa RAND à la carte UICC du mobile pour que ce dernier calcule le code d’authentification MAC (Message Authentication Code). La carte UICC (application SIM) calcule également la clé de chiffrement Kc. Le résultat du code d’authentification RES obtenu au niveau de la carte UICC est transmise par le mobile à l’authentificateur VLR/MSC. Ce dernier compare alors les deux codes d’authentification RES et SRES. Si les résultats sont identiques, l’authentificateur VLR/MSC transmet un message de réussite au terminal et transmet la clé Kc à la station de base.

Figure 2 : Le protocole d’authentification et de chiffrement sur le réseau GSM

Le chiffrement est basé sur la clé Kc et l’algorithme A5. Il s’agit d’un algorithme de chiffrement par bloc. Cet algorithme est normalisé et pour assurer le Roaming, l’algorithme est utilisé par tous les opérateurs mobiles. Le chiffrement est réalisé au niveau de la station de base (BTS) et du mobile (figure 2).

Il existe quatre algorithmes de chiffrement nommé A5/1 à A5/4,le choix de l’algorithme est négocié par le réseau en fonction de la liste des algorithmes que dispose le mobile. Les algorithmes A5/3 et A5/4 sont aussi connus sous le nom KASUMI et sont apparus plus tard et ils sont également utilisés en 3G.

Dans le cas du GPRS, l’algorithme de chiffrement GEA (GPRS Encryption Algorithm) est mis en œuvre au niveau de l’entité SGSN.

Figure 3 : Le calcul des clés en 2G mode CS

Figure 4 : Le calcul des clés en 2G mode PS

Le chiffrement est mis en œuvre par le protocole LLC situé dans l’entité SGSN 2G

 

 

 

5G – DSS – Partie 4

suite de l’article 

III) Conclusion

Le partage dynamique de la bande 4G/5G permet d’apporter de la 5G au niveau des cellules 4G sans avoir besoin de recourir au refarming. Les opérateurs planifient néanmoins l’allocation de la bande 4G aux usages 5G dans les années à venir (figure 20).

Figure 20 : L’usage de la bande 4G/5G dans les années à venir

En contrepartie, la méthode DSS complexifie la gestion radioélectrique entre les signaux 4G et les signaux 5G.

La spécification 3GPP propose 3 méthodes (figure 21) :

  • basée sur la sous-trame MBSFN,
  • basée sur le mini-slot ;
  • basée sur l’adaptation de bloc de ressource.

Figure 21 : Les options de déploiement DSS [2]

  1. L’option 1 est basée sur la sous-trame MBSFN. Les 12 symboles de la sous-trame est dédiée aux communication 5G. Aucun trafic 4G n’est possible sur cette sous-trame. L’option 1 permet d’utiliser sans contrainte les 12 symboles de la sous-trame pour émettre en 5G quelle que soit la numérologie µ.
  2. L’option 2 utilise la notion de mini-slot standardisée pour les transmission 5G. Un mini-slot exploite 2, 4 ou 7 symboles OFDM. La transmission mini-slot a été spécifiée par la 3GPP pour les cas d’usage URLLC en proposant de transmettre à tout moment pour réduire la latence. Pour ne pas interférer avec les signaux CRS, les mini-slot sont transmis lorsqu’il n’y pas de signaux de référence à émettre.
  3. L’option 3 est généralement celle déployée par les opérateurs. Cette option s’appuie sur le procédé de poinçonnage (puncturing). La station de base peut du trafic 5G sur l’ensemble du canal de trafic PDSCH sauf sur les éléments de ressource utilisée pour la transmission des signaux de référence. L’allocation de ressource peut être réalisée par élément de ressource ou par ressource bloc. Par élément de ressource, seul l’élément de ressource RE (Resource Element = 1 symbole) contenant le signal CRS est exclu. Dans le cas d’adaptation par bloc de ressource RB (Resource Bloc), c’est le RB en entier qui est exclu pour la transmission 5G.

L’efficacité spectrale est meilleure dans le cas de l’adaptation par élément de ressource (RE) néanmoins elle n’est possible que lorsque la station de base 5G fonctionne avec un écart entre sous-porteuse de 15 kHz comme dans le cas de la station de base 4G.

Si l’espacement entre sous-porteuses 5G est de 30 kHz, alors seul le procédé de poinçonnage par bloc est possible.

La transmission par mini-slot était initialement prévue pour ne pas faire de poinçonnage.

Parmi ces 3 options, la 3ème option est la plus efficace spectralement mais elle est limitée au cas ou l’espacement entre sous-porteuses 5G est de 15 kHz. Lorsque l’espacement est de 30 kHz, l’option 1 ou 2 peuvent être utilisées avec une préférence pour l’option 2. Celle-ci se révèle moins efficace comme le montre la table 2.

Table 2 : L’adaptation de débit RE (par slot) /RB (par mini-slot)

Pour le lien montant, le terminal 4G utilise la méthode SC-FDMA pour réduire la consommation énergétique. La spécification 4G a imposé un décalage fréquentiel de 7,5 kHz par rapport au signal descendant. Pour la 5G, le terminal utilise soit la méthode SC-FDMA soit la méthode OFDMA. Ce décalage de fréquence ne permet plus d’assurer l’orthogonalité entre les sous-porteuses 4G et 5G. Pour pallier à ce décalage, la 5G DSS sur le lien montant est décalé de 7,5 kHz afin d’être aligné sur la transmission montante LTE.

Figure 22 : L’alignement des fréquences 4G/5G sur le lien UL

La table 3 résume les caractéristiques DSS avec les différentes versions de la spécification 3GPP

Table 3 : Les caractéristiques DSS

Références

[1] https://images.samsung.com/is/content/samsung/p5/global/business/networks/insights/white-papers/0122_dynamic-spectrum-sharing/Dynamic-Spectrum-Sharing-Technical-White-Paper-Public.pdf

[2] https://www.sharetechnote.com/html/Handbook_LTE_MBSFN.html

[3]https://newsletter.mediatek.com/hubfs/mediatek5gprogress/Dynamic-Spectrum-Sharing-WhitePaper-PDFDSSWP-031320.pdf

[4] https://www.keysight.com/fr/en/assets/7120-1249/application-notes/Dynamic-Spectrum-Sharing-DSS-Functional-and-Performance-Verification-with-Keysight-Nemo-Tools.pdf?success=true

5G – DSS – Partie 3

Suite de l’article DSS

II-2) Les sous-trames MBSFN

Initialement, la transmission MBSFN a été standardisée dans la spécification R.9 pour des contenus télévisuels : le terminal mobile reçoit un flux IP en provenance de plusieurs stations de bases. Celles-ci émettent simultanément le même flux et sur la même fréquence.

Figure 14 : La synchronisation des zones de services MBSFN [2]

Cela nécessite une synchronisation des stations de base. On synchronise les stations de base dans une aire MBSFN. Une station de base peut appartenir à deux aires MBSFN.

La présence de canaux physiques PMCH est indiquée au mobile via les messages d’informations systèmes LTE SIB2/SIB13 (System Information Block).

Une trame 4G en mode FDD est composée de 10 sous-trames. La sous-trame 0 et la sous-trames 5 émettent le canal de synchronisation. Les sous-trames 0, 4, 5 et 9 sont réservées pour transmettre des notifications (paging). Ainsi, les sous-trames MBSFN candidates sont les sous-trames 1, 2, 3, 6, 7 et/ou 8.

L’information SIB2 indique la position des sous-trames MBSFN.

 

Figure 15 : La position des trames MBSFN [2]

La valeur OneFrame positionnée à 1 indique la présence d’une sous-trame MBSFN.

L’information portée par le canal SIB13 concerne le paramétrage radio du canal de contrôle MCCH (MBSFN Control Channel).

La sous-trame MBSFN est découpée en deux région :

  • une région Non-MBSFN qui correspond au canal de contrôle PDCCH. Ce dernier est imposé sur toute la largeur de bande 4G et sur un ou deux symboles OFDM. La région Non-MBSFN porte les canaux PHICH, PCFICH et PDCCH ;
  • une région MBSFN qui a pour objectif de porter les données utiles de diffusion PMCH (Physical Multicast Channel) et des signaux de références.

L’évolution eMBSFN rajoute des signaux de références afin de pallier aux différences sources de transmissions qui sont reçues de la part du mobile comme des échos (le même signal est transmis simultanément et sur les mêmes fréquences mais à des endroits différents).

Le signal est transmis sur des sous-porteuses OFDM espacées de 15 kHz ou 7,5 kHz ou 1,25 kHz.

Figure 16 : Les signaux de références MBSFN

La méthode DSS peut exploiter une ou plusieurs trames MBSFN, en profitant des 12 symboles de la sous-trame pour diffuser le canal 5G SSB espacée de 15 kHz ou 2*12 symboles si l’espacement est de 30 kHz. La sous-trame MBSFN peut également être utilisée pour transmettre à la fois le canal de contrôle (CORESET) et de trafic.

La figure 17 présente un exemple de trame émise avec une sous-trame MBSFN (3ème sous-trame). Les autres sous-trames sont nommées sous-trame non-MBSFN.

Figure 17 : La transmission 4G-LTE avec une sous-trame MBSFN

La transmission DSS par sous-trame MBSFN est plus efficace à la méthode par slot comme le montre la figure 18 pour le cas de la R16 (correspondance type B avec 9 symboles)

Figure 18 : Comparaison de la méthode DSS par mini-slot et par sous-trame MBSFN

Toutefois, l’intérêt principal de la sous-trame MBSFN est la possibilité de transmettre le bloc SSB et les canaux PDCCH.

Figure 19 : La sous-trame MBSFN et la transmission des blocs SSB [3]

En général, la sous-trame MBSFN est utilisée pour émettre le bloc de synchronisation SSB avec un espacement entre sous-porteuses de 30 kHz.

5G – DSS – Partie 2

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2. Les options DSS

La méthode DSS permet de partager de manière dynamique la bande radioélectrique pour émettre des signaux RF vers des mobiles 4G et en même temps, sur d’autres éléments de ressources disponibles des signaux RF vers des mobiles 5G.

La spécification 3GPP propose 3 méthodes mais l’implémentation est laissée libre à l’équipementier. Les 3 options sont :

  • Option 1 : sous-trames MBSFN (Multicast-Broadcast Single Frequency Network) ;
  • Sous-trames basées sur l’adaptation de débit :
    • option 2 : de type-B (par mini-slot) ;
    • option 3 : de type-A (adaptation CRS – CRS rate matching)

La sous-trame MBSFN est une technologie 4G pour transmettre des informations vers plusieurs mobiles simultanément et s’insère de manière transparente dans une transmission 4G. Dans le cas de la transmission MBSFN (à partir de la R.9), le canal de contrôle 4G-PDCCH exploite deux symboles pour libérer 12 symboles eMBMS (enhanced MBMS). L’inconvénient de cette méthode est la réduction du débit 4G notamment lorsque les sous-trames MBMS sont fréquemment transmises.

Ainsi, les sous-trames basées sur l’adaptation de débit sont plus flexibles et exploitent de manière plus efficace les éléments de ressources non exploités 4G-LTE.

L’option 3 consiste à transmettre le signal 5G sur les slots 4G mais en supprimant (puncturing) les éléments de ressources 5G lorsque le signal 4G doit émettre des signaux de références 4G-CRS. L’option 3 est ainsi la méthode la plus efficace spectralement. Mais, celle-ci n’est possible que lorsque l’espacement entre sous-porteuses 5G est de 15 kHz.

II-1) L’adaptation de débit

La transmission NR est définie par la notion de slot dans le domaine temporel. Un slot est composé de 14 symboles. Le canal de données PDSCH est transmis dans un slot, mais n’occupe pas obligatoirement le slot en entier.

La 3GPP a spécifié deux types de transmissions NR PDSCH, nommée Type A et Type B qui définit l’association du canal NR PDSCH avec le signal de référence NR DMRS :

  • La transmission basée sur un slot : Transmission de type A. Le signal de référence NR DMRS est positionné sur le symbole 2 ou 3, et le canal NR PDSCH est défini par deux paramètres : Le début du canal dans le slot (Start) et la longueur en nombre de symboles occupés dans le slot (Length). Ce paramètre nommé SLIV (Start Length Indicator Value).
  • La transmission basée sur un mini-slot : Transmission de type B. Le mini-slot correspond à 2, 4 ou 7 symboles et le signal de référence NR DMRS est positionné sur le premier symbole dans le domaine temporel du mini-slot.

La table 5.1.2.1-1 de la spécification 38.214 spécifie les valeurs SLIV possibles :

Table 1 : Les valeurs possibles pour la position du canal 5G-PDSCH dans un slot

Se référer à l’article précédent pour la compréhension du SLIV.

Pour la transmission de type A, le canal NR PDSCH démarre au symbole 0,1,2 ou 3.

Sur la figure 5, pour la transmission de type A, le canal NR PDSCH démarre à la position 0 et pour la transmission de type B, le canal NR PDSCH démarre au slot 7.

Figure 5 : La transmission NR-PDSCH (à gauche par slot, à droite, mini slot)

Le mode de duplexage TDD de l’interface 5G-NR est basée sur le temps d’un symbole, pour la transmission descendante NR-PDSCH de type A, il est également possible de transmettre moins de 12 symboles. A titre d’exemple, la figure 6 présente une transmission sur 5 symboles.

Figure 6 : La transmission du canal NR-PDSCH sur 9 symboles, canal associé au signal de référence DM-RS sur le symbole 2 uniquement (dmrs_additionnal=0)

Pour améliorer la démodulation, il est possible d’associer plusieurs signaux de références NR DMRS (figure 7).

Figure 7 : La transmission NR-PDSCH sur 14 symboles avec l’ajout de signaux de référence

L’adaptation de débit consiste à exploiter l’allocation radioélectrique LTE et d’insérer le canal NR PDSCH et les signaux de références 5G sans interférer avec les signaux de références 4G CRS.

Il est donc nécessaire de poinçonner le canal NR-PDSCH car il n’est pas possible de poinçonner les signaux de références DMRS.

II-1-a) Adaptation de débit par slot

L’adaptation de débit par slot s’appuie sur la transmission du canal NR PDSCH avec le signal de référence NR DMRS associé sur le slot 2 ou 3 (Mapping type A).

La figure 8 reprend l’allocation de ressources LTE et les schémas d’allocation de ressource NR.

Figure 8 : L’adaptation de débit par slot (NR-PDSCH de type A) [3]

Sur la figure 8, les deux premiers symboles sont réservés pour la transmission du canal de contrôle 4G- PDCCH. Ainsi, la position du signal NR-DMRS est située sur le symbole 3 avec éventuellement un ajout du signal de référence NR-DMRS sur le symbole 12 ou deux ajouts du signal de référence NR DMRS sur les symboles 7 et 11.

Sur la figure 8, on prend comme hypothèse que le signal de référence 4G-CRS est transmis sur 2 ports d’antennes. Dans l’hypothèse ou 4 ports seraient utilisés, il faut reprendre la figure 2. En effet, les signaux de références CRS sont transmis sur deux sous-porteuses et 4 symboles (position 0, 4, 7 et 11) pour deux ports d’antennes. Avec 2 ports d’antennes supplémentaires, deux symboles additionnels à la position 1 et 8 portent le signal de référence par sous-porteuses.

Le signal de référence NR-DMRS ne pouvant pas être poinçonné, il ne peut pas être transmis lorsque les signaux de référence 4G-CRS sont émis.

Par contre, le canal NR-PDSCH peut être poinçonné. Ainsi dans le cas de la figure 8, celui peut être transmis sur symboles 7 et 11 sauf sur les sous-porteuses qui transportent le signal de référence 4G-CRS.

II-1-b) Transmission DSS par mini-slot

La transmission DSS par mini-slot s’appuie sur la transmission du canal NR PDSCH correspond à 2, 4 ou 7 symboles associé au signal DMRS en début de transmission du canal NR PDSCH (Mapping type B).

Figure 9 : La transmission DSS par mini-slot (R.15)

La spécification R.16 propose d’étendre la taille du canal NR PDSCH à 10 symboles.

Figure 10 : La transmission DSS par mini-slot (R.16)

Il est à noter que dans cette proposition, le signal de référence NR DMRS associé au canal NR PDSCH n’est plus positionné en début de transmission mais après le slot poinçonné.

II-1-c) Transmission du bloc SSB

Un bloc de synchronisation et de diffusion 5G (SSB) est transmis sur 4 symboles consécutifs. Si l’espacement entre sous-porteuses est de 15 kHz, alors on ne peut pas utiliser la méthode précédente pour transmettre le bloc SSB. Si par contre l’espacement entre sous-porteuses est de 30 kHz, dans ce cas il est possible d’émettre un seul bloc SSB.

En effet, comme le montre la figure 11, la durée d’un symbole est inversement proportionnelle à l’espacement entre sous porteuses.

 

 

Figure 11 : La relation entre espacement fréquentielle et durée d’un symbole

Ainsi, la durée de deux symboles de la zone 4G correspond à la durée de :

  • 2 symboles NR pour espacement de 15 kHz ;
  • 4 symboles NR pour un espacement entre sous-porteuses de 15 kHz.

Cependant, dans le cas où l’on souhaiterait émettre plusieurs blocs SSB consécutifs (Beamforming Sweeping), la seule solution est d’utiliser des sous-trame MBSFN.

Figure 12 : La transmission de bloc SSB

La figure 13 présente les opportunités pour transmettre des blocs SSB avec la contrainte de ne pas interférer les signaux de références.

 

Figure 13 : La transmission simultanée du bloc SSB et des signaux de références 4G-CRS

 

 

Part 4 : Interface Radioélectrique 5G – Trames, numérologies et allocation de ressources

Extrait du livre : NG-RAN et 5G-NR : L’accès radio 5G et l’interface radioélectrique – sortie prévue juillet 2021

Suite de l’article précédent

4) L’allocation de ressource SLIV : Le canal PDSCH

L’information de contrôle DCI format 1_0 et 1_1 porte 4 bits d’allocation dans le domaine temporel (‘time domain resource assignment’).

A partir des 4 bits, le mobile est configuré par les valeurs suivantes :

  • un décalage en slot K entre l’information DCI et la position du slot contenant le canal de trafic descendant PDSCH ;
  • l’association du signal de référence DMRS avec le canal PDSCH (‘PDSCH mapping type’). Il existe deux types d’allocation nommée TypeA et Type B ;
  • la valeur SLIV indiquant le nombre de symboles S séparant le début du slot contenant le canal PDSCH et le premier symbole du canal PDCH et indiquant la longueur L du canal PDSCH.

 

La valeur SLIV (Start Length Indicator Value) comprise entre 0 et 127 permet de récupérer le symbole de début du canal PDSCH et L est la longueur du canal PDSCH.

SLIV est calculé par la formule suivante :

  • Si la longueur L est inférieure ou égale à 8 alors SLIV=14*(L-1)+S
  • Sinon SLIV=14*(14-L+1)+(14-1-S)

A partir de la valeur SLIV, le terminal en déduit la valeur de S et de L.

Les valeurs de L et de S sont comprises entre 1 et 14 selon la table suivante :

Pour la Release 15 :

Pour la Release 16, des valeurs supplémentaires sont possibles pour la correspondance de Type B.

Cette évolution permet de mieux exploiter le spectre pour la technique DSS que nous verrons dans un prochain article.

Pour résumer, l’allocation de ressource permet de définir la valeur de la variable k0 qui indique le décalage en slots entre la réception du canal de contrôle DCI et la valeur SLIV permet de définir sur quel symbole démarre le canal PDSCH au niveau du slot (valeur S) ainsi que la longueur du canal L.

Le signal de référence est transmis sur le symbole 2 ou 3 pour le type A ou en début du canal PDSCH pour le type B.

La valeur SLIV détermine de manière unique les valeurs L et S comme le montre le tableau suivant :

Pour des raisons de présentations, sur le premier tableau les valeurs de L sont en colonne alors que pour le deuxième tableau, les valeurs de L possibles sont en ligne.

Pour la R.16, la condition L+S est inférieure ou égale à 14 supprime toute ambiguïté :

A titre d’exemple, L=12 et S=2 donne la valeur 53, laquelle est obtenue pour S=11 et L=4. Mais ce couple (11,4) ne respecte pas la condition S+L inférieur ou égal à 14.

 

Références

[0] Extrait du livre : NG-RAN et 5G-NR : L’accès radio 5G et l’interface radioélectrique

[1] http://howltestuffworks.blogspot.com/2019/12/5g-nr-pdsch-resource-allocation-in-time.html

[2] https://www.linkedin.com/pulse/5g-nr-k0k1-k2-time-domain-dl-ul-resource-allocation-naveen-chelikani/

[3] TS 38.213

Part 3 : Interface Radioélectrique 5G – Trames, numérologies et allocation de ressources

Extrait du livre : NG-RAN et 5G-NR : L’accès radio 5G et l’interface radioélectrique – sortie prévue juillet 2021

Suite de l’article précédent.

3) Le signal de référence DM-RS : DM-RS mapping Type A/B

Le signal de trafic descendant PDSCH est accompagné d’un signal de référence DM-RS (Demodulation Reference Signal) afin d’être correctement décodé au niveau du mobile. Il s’agit d’une différence avec l’interface 4G qui utilisait le signal de référence CRS pour les modes de transmissions TM1 à TM4 pour décoder le canal PDSCH.

Le signal DM-RS est donc associé au canal PDSCH et il subit le même précodage que les données PDSCH afin d’aider le récepteur à démoduler le signal sans avoir besoin de connaitre la matrice de précodage utilisée pour les données.

Le nombre de symboles DM-RS et le mappage sur les éléments de ressource RE sont configurés de manière statique par les paramètres RRC ou de manière dynamique par les informations de contrôle DCI. Le signal physique de référence DM-RS est présent sur chaque RB du slot ou le canal PDSCH est alloué.

Dans le domaine temporel, deux types de mappage sont définis :

  • DM-RS Mapping Type A est basé sur l’intervalle de temps du slot. Les symboles OFDM portant les signaux DM-RS sont fixés par rapport au début du slot et sont situés à la position 2 ou 3 du slot;
  • DM-RS Mapping Type B pour lequel le signal DM-RS est aligné temporellement avec le canal PDSCH.

Le Type A permet au mobile de recevoir les informations de contrôle sur le premier symbole, puis le signal de référence DM-RS associé au canal PDSCH sur le symbole 2 ou le symbole 3, le slot étant entièrement utilisé pour transmettre des données vers le terminal.

Le Type B est utilisé pour le cas où les données PDSCH sont transmises sur quelques symboles (mini slot sur 2,4 ou 7 symboles). Cette configuration correspond aux communications à faible latence.

Figure 7: Les types de mappages DM-RS port d’antenne 0

 

Le signal DM-RS est transmis sur un symbole (Single Symbol) ou sur deux symboles consécutifs (Double Symbol) par slot selon le paramètre maxlength transmis par la signalisation RRC.

Au minimum, un symbole DM-RS par UE est transmis par slot, mais selon la configuration RRC, des symboles DM-RS supplémentaires par slot peuvent être ajoutés (dmrs-AdditionalPosition) dans le domaine temporel.

Ainsi, lorsque le terminal se déplace à vitesse élevée, afin de prendre en compte la variation temporelle du canal de propagation, il est possible de rajouter jusqu’à trois signaux DM-RS supplémentaires par slot.

Les éléments de ressource RE réservés pour le signal DM-RS permettent de transmettre le signal de référence sur plusieurs port d’antennes simultanément.

Figure 8 : Le mappage DM-RS additionnel port d’antenne 0

 

Part 2 : Interface Radioélectrique 5G – Trames, numérologies et allocation de ressources

Extrait du livre : NG-RAN et 5G-NR : L’accès radio 5G et l’interface radioélectrique – sortie prévue juillet 2021

Suite de l’article précédent

2) Les informations de contrôles DCI et les paramètres k0,k1 et k2

Nous allons nous intéresser dans cet article uniquement à l’allocation de ressource lorsque le mobile est à l’état connecté.

Dans cet état, la station de base alloue les ressources radioélectriques pour le lien descendant et le lien montant via les informations de contrôles DCI format 1_0 et DCI format 1_1 (Downlink Control Information).

Le message DCI pour le format 1_0 et 1_1 porte 4 bits d’allocation permettant d’informer le mobile de la réception de données dans le domaine temporel (‘time domain resource assignment’).

Les 4 bits font référence à une ligne d’un tableau de 16 valeurs. Chaque ligne donne 3 informations :

  • un décalage en slot K entre l’information DCI et la position du slot contenant le canal de trafic descendant PDSCH ;
  • la valeur SLIV indiquant le nombre de symboles S séparant le début du slot contenant le canal PDSCH et le premier symbole du canal PDCH et indiquant la longueur L du canal PDSCH ;
  • l’association du signal de référence DMRS avec le canal PDSCH (‘PDSCH mapping type’). Il existe deux types d’allocation nommée TypeA et Type B.

Figure 4 : L’allocation de ressource par rapport au signal de contrôle DCI [1]

Le paramètre K1 permet d’indiquer le décalage en nombre de slots entre le slot du canal PDSCH et le slot d’acquittement sur le lien montant.

 

Figure 5 : L’allocation des ressources pour l’acquittement de la part du mobile du message reçu en provenance de la station de base [2]

La valeur K1 est transmise dans le champ PDSCH-to-HARQ-timing-Indicator fourni par le message DCI sur 3 bits. Les 3 bits donnent la position de la valeur K1contenu dans le vecteur dl-DataToUL-ACK.

A titre d’exemple, si la valeur DCI=010, et le vecteur dl-DataToUL-ACK est le suivant

dl-DataToUL-ACK {  8,  6,  4,  12 }

Dans ce cas, la valeur K1= 4 (010 est la 3ème position). Se référer à la table 9.2.3-1 « Mapping of PDSCH-to-HARQ_feedback timing indicator field values to numbers of slots » [3]

Le vecteur dl-DataToUL-ACK est contenu dans l’élément d’information de configuration du PUCCH (PUCCH Config IE). Cette valeur est transmise lors du message SIB1 dans le champ tdd-UL-DL-ConfigurationCommon ou lors d’un message de configuration RRC dans le champ tdd-UL-DL-ConfigurationDedicated.

Enfin, la valeur K2 correspond au décalage en nombre de slots entre la réception de l’information DCI et l’allocation des ressources dans le domaine temporel pour le canal de trafic montant PUSCH.

Figure 6 : L’allocation des ressources pour le lien montant (PUSCH) [2]

[0] Extrait du livre : NG-RAN et 5G-NR : L’accès radio 5G et l’interface radioélectrique

[1] http://howltestuffworks.blogspot.com/2019/12/5g-nr-pdsch-resource-allocation-in-time.html

[2] https://www.linkedin.com/pulse/5g-nr-k0k1-k2-time-domain-dl-ul-resource-allocation-naveen-chelikani/

Part 1 : Interface Radioélectrique 5G – Trames, numérologies et allocation de ressources

Extrait du livre : NG-RAN et 5G-NR : L’accès radio 5G et l’interface radioélectrique – sortie prévue juillet 2021

A l’instar de la 4G, l’interface radioélectrique 5G-NR utilise la modulation OFDM puisque celle-ci se révèle être la plus efficace dans le cas des transmissions multi-trajets (propagation en champs libre).

La modulation OFDM est une modulation multi-porteuses orthogonales, elle transmet un bloc de données binaires sur un grand nombre de porteuses en même temps. On définit ainsi le domaine fréquentiel de la transmission 5G par la largeur de sa bande de fréquence, c’est-à-dire par le nombre de sous-porteuses utilisées multiplié par l’espacement entre sous-porteuses.

L’orthogonalité se traduit par la durée de la transmission d’un symbole qui est inversement proportionnelle à l’espacement entre sous-porteuses. Ainsi, si les sous-porteuses sont espacées de 15 kHz, la durée de la transmission d’un symbole est de 66,67 µs (1/15 kHz).

Figure 1 : La transmission OFDM

Le bloc de données à transmettre est une suite binaire. La modulation OFDM permet de faire une modulation M-QAM sur chacune des porteuses.

A titre d’exemple, pour une modulation 64-QAM, 6 bits sont modulés par sous-porteuse. Les 6 bits forment un symbole.

Une station de base 5G peut moduler au plus 3300 sous-porteuses. Si les sous-porteuses sont espacées de 30 kHz alors la largeur de bande 5G est de 99 MHz et la durée d’un symbole est de 33,33 µs.

Ainsi, si la station de base transmet le bloc de données sur 3300 sous-porteuses simultanément, alors dans le cas d’une modulation 64-QAM, la station de base gNB pourrait potentiellement transmettre 3300*6 = 19 800 bits pendant la durée d’un symbole de 33,33 µs.

Si le bloc de données à transmettre est supérieur à 19 800 bits, alors la station de base va émettre les bits restants sur le(s) symbole(s) suivant(s) (33,33 µs suivante).

La modulation OFDM est donc une modulation qui exploite le domaine fréquentiel (nombre de sous-porteuses) et le domaine temporelle (durée d’un symbole).

Pour la 5G, on définit :

  • dans le domaine fréquentiel, un bloc de ressource RB (Resource Bloc) qui correspond à 12 sous-porteuses contiguës ;
  • dans le domaine temporel, un slot correspond à 14 symboles consécutifs.

Afin d’organiser la transmission de données, et synchroniser les récepteurs, les transmissions en liaison descendante et montante sont organisées en trames d’une durée de 10 ms, chacune est découpée en dix sous-trames de 1 ms. Chaque trame est divisée en deux demi-trames de taille égale à cinq sous-trames :

  • la demi-trame 0 est composée des sous-trames 0 à 4 ;
  • la demi-trame 1 est composée des sous-trames 5 à 9.

Pour l’interface LTE, la sous-trame est composée de deux intervalles de temps (slot). Attention, la notion de slot en 4G est différente de la notion de slot en 5G : un slot LTE correspond à 7 symboles OFDM consécutifs (trame normale) de durée 0,5 ms. La valeur de l’intervalle de temps de transmission 4G-TTI (Transmission Time Interval) correspond à la durée de la sous-trame et a une valeur fixe égale à 1 ms car l’espacement entre sous-porteuse est de 15 kHz.

Pour l’interface NR, le slot est composé de 14 symboles OFDM consécutifs (trame normale).  La valeur de l’intervalle de temps de transmission 5G-TTI correspond à la durée d’un slot. La valeur 5G-TTI dépend de l’espacement entre les sous-porteuses (tableau 1).

Tableau 1 : La structure de la trame temporelle

L’espacement entre sous-porteuses SCS (SubCarrier Spacing) est défini par la formulation suivante :

SCS=2µ*15 kHz, avec µ la numérologie.

Si µ=0, l’espacement est de 15 kHz, si µ=1 l’espacement est de 30 kHz, … Dans la suite, on parlera de numérologie.

1) La grille de ressources

 

Figure 2 : La grille de ressources

Un élément de ressource RE (Resource Element) constitue la plus petite unité pouvant être attribuée à un signal de référence (figure 1). L’élément de ressource RE correspond à un symbole OFDM dans le domaine temporel, et à une sous-porteuse dans le domaine fréquentiel. Il est ainsi repéré par la paire (k,l), k représentant l’indice de la sous-porteuse et l, l’indice du symbole OFDM dans le domaine temporel par rapport à un point de référence relatif.

Le bloc de ressource RB (Resource Block) correspond à une allocation de N=12 sous-porteuses contiguës (figure 1). A la différence de la 4G, le bloc de ressource RB 5G correspond à une allocation fréquentielle.

La grille de ressources est une allocation de ressources tempo-fréquentielles correspondant aux ressources d’un port d’antenne. Elle est constituée d’un ensemble de symboles par sous-trame (cf. tableau 2) dans l’espace temporel et d’un ensemble de sous-porteuses contiguës dans le domaine fréquentiel. La grille de ressources est composée d’au plus 3300 sous-porteuses et elle est transmise sur chaque sens de transmission et sur chaque port d’antenne.

Table 2 : Numérologie et nombre de symboles par sous-trame

Pour mieux comprendre la table 2, nous allons présenter la numérologie dans le domaine temporel sur la figure 3.

Figure 3 : La trame temporelle 5G-NR

Une trame 5G est définie par une durée de 10 ms. La trame 5G est découpée en 10 sous-trames d’une ms. Chaque sous-trame est composé de slots. Le nombre de slot par sous-trame dépend de l’espacement entre sous-porteuses (table 2 : numérologie).

 

[0] Extrait du livre : NG-RAN et 5G-NR : L’accès radio 5G et l’interface radioélectrique