Cours IUT – Chap 1 (Part 5)

L’architecture du réseau de mobiles 4G

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1.5. La transition vers la 5G

1.5.1 La Double Connectivité sur le NG-RAN

L’évolution vers la 5G propose dans un premier temps un scénario de déploiement entre les stations de bases 5G  (nommé gNB)  avec une station de base 4G eNb (DC option 3C) puis entre les stations de bases 5G avec le cœur réseau EPC (DC option 1A). La solution de DC constitue ainsi la première phase nommée NSA (Non Standalone).

Nous allons donc nous intéresser au DC en considérant l’un des trois scénarios suivants (Figure 1.25) :

  • eNB est le maître, le gNb est l’esclave
  • gNB est le maître, le eNB est l’esclave
  • ng-eNB auparavant nommé eLTE eNB  est le maître, le gNb est l’esclave

La station de base ng-eNB est une evolution de la station de base eNB leur permettant d’être interconnectée avec le coeur réseau 5G (appelé 5GC).

Figure 1.25 : La description des scénarios DC pour le réseau 5G

Dans le cadre de la 4G, nous avions défini deux types de séparations de flux :

  • au niveau des bearers (QoS, ARP) : Split Bearer
  • au niveau des paquets PDCP : MCG/SCG bearer

En appliquant les principes sur le réseau 5G, nous obtenons :

1 – pour le trafic (U-Plane) ne pas utiliser le gras une séparation (se référer à la figure 1.20)

  • au niveau des paquets PDCP : SCG bearer
  • au niveau du SGW

Les paquets sont séparés au niveau de la couche PDCP de la station de base 5G secondaire SgNB (si la station de base eNB est le maître MeNB) ou la station de base 4G secondaire SeNB (si la staion de base 5G gNB est le maître MgNb).

Figure 1.26 : L’architecture protocolaire de la double connectivité en 5G

2 – pour le contrôle (C-Plane), deux options :

  • Option C1 : Seul la station de base 4G maître MeNB génére les messages RRC transmis au mobile UE
  • Option C2 : Les deux stations de bases émettent des messages RRC vers l’UE. Cette configuration est nouvelle par rapport à la technologie DC 4G.

Figure 1.27 : La couche RRC pour l’architecture DC en 5G

1.5.2 Le réseau hétérogène 5G

Une solution pour densifier le réseau est de s’appuyer sur le réseau WiFi pour les zones comme les aéroports et les surfaces commerciales. L’UDN (Ultra Dense Network) s’appuie sur une couverture LTE Indoor, le LTE sur la bande non licenciée et le WiFi.

Dans les releases R.13 et R.14, le WiFi est vu comme un point d’accès supplémentaire et la 3GPP propose trois solutions alternatives que nous étudierons dans le chapitre 3 :

  • Interfonctionnement du LTE et du WiFi afin de transférer le trafic LTE sur le WiFi
  • LWA : LTE WiFI Aggregation pour lequel on agrège des canaux WiFi avec des canaux LTE
  • LAA : Licenced Assisted Access permettant d’utiliser la technologie d’accès LTE sur les bandes non licenciées

En 5G, les terminaux pourront exploiter à la fois les stations de bases 4G (eNB), les stations de base 5G (gNb) et les points d’accès WiFi grâce à un découpage des flux sur le réseau de transport fronthaul : L’unité BBU et le module RRU sont décomposés en trois entités nommées CU (Control Unit), DU (Digital Unit) et RRU/AAU (Active Antenna Unit).

L’entité CU gère les ressources radios et l’établissement, le maintien et la libération des DC.

L’entité DU gère la couche physique et la gestion des erreurs (HARQ/FEC).

Le RRU/AAU gère les couches physiques RF/BB pour le massive MIMO.

1.5.3 La réduction de la latence : le Fog Computing

Afin de réduire la latence, une nouvelle entité MEC (Mobile Edge Computing) joue le rôle de Datacenter au plus proche des antennes afin de répondre à des applications de type :

  • Vidéos
  • IoT : Internet of Thing
  • Réalité Augmentée
  • Cache de données
  • Intelligence Artificielle

Le MEC est installé au plus proche des antennes, ce qui permet à un grand nombre d’utilisateurs d’accéder en temps réels à des services avec une faible latence. A titre d’exemple, dans le cadre de manifestation sportive (stade de foot), les vidéos professionnelles peuvent être diffusées en locale via un serveur vidéo de broadcast hébergé par le MEC afin que les spectateurs puissent visualiser en temps réel les différents champs de caméra. Pour l’IoT, un serveur d’hébergement peut réaliser les actions à effectuer au niveau du MEC afin d’éviter un transfert de toutes les données vers le serveur d’application hébergé dans le Cloud.

Figure 1.28 : L’évolution du réseau d’accès 5G – MEC/CU/DU/AAU

 

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Cours IUT – Chap 1 (Part 4)

L’architecture du réseau de mobiles 4G

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1.4. La double connectivité

La technologie DC (Dual Connectivity ) est définie à partir de la release R.12 et permet au mobile UE de partager son trafic avec deux stations de base eNB simultanément et par extension permettra de réaliser de l’agrégation de porteuses CA (Carrier Aggregation) sur deux stations de base eNB. On distingue la station de base eNB maître (MeNB Master eNB) et la station de base eNB esclave (SeNB Secondary eNB). Chaque station de base eNB gère son ordonnanceur indépendamment de l’autre. La station de base MeNB est connectée au cœur réseau via l’interface S1-MME, les stations de bases MeNB et SeNB dialoguent via l’interface X2. Le réseau de transport backhaul qui relie les stations de base eNB au cœur réseau peut être non idéal car il n’est pas besoin d’être parfaitement synchronisé entre les émetteurs mais il est nécessaire d’avoir un réseau de transport backhaul supportant un trafic élevé (jusqu’à 3 fois la charge nécessaire pour chaque mobile UE dans le pire cas).

Figure 1.15 : Le plan de contrôle de l’architecture DC

Le mécanisme DC s’applique donc sur deux stations de bases différentes. En général, la station de base MeNB est une macro-cellule et la station de base SeNB est une petite ou micro-cellules, mais le DC fonctionne aussi avec des cellules de mêmes tailles.

Concernant la signalisation (Control Plane), la station de base MeNB établit une connexion S1 avec l’entité MME : Il n’y a qu’une seule connexion sur le plan de signalisation.

Concernant le trafic de données (User plane), le mobile UE est connecté (RRC Connected) aux deux eNB simultanément (deux Radios Bearers). La norme propose 7 architectures différentes, mais seules deux architectures ont été retenues.

  • les stations de base SeNB et le MeNB établissent chacune une connexion avec l’entité SGW. Il s’agit de l’architecture MCG/SCG bearers, nommée architecture 1A, le plan utilisateur (User Plane) est séparé au niveau du cœur réseau (CN).
  • seule la station de base MeNB établit un tunnel avec l’entité SGW et le flux est partagé au niveau de la station de base MeNB vers la station de base SeNB. Il s’agit de l’architecture du Split Bearer nommée architecture 3C, le plan utilisateur (User Plane) est séparé au niveau du RAT.

Autrement dit, selon la configuration choisie, soit les flux de données (deux bearers S1) sont émis indépendamment vers les deux stations de base eNB soit les flux de données sont commutés au niveau de la station de base MeNB.

Dans le premier cas, chaque station de base eNB possède sa propre connexion S1-U avec l’entité SGW, chaque station de base eNB configure sa connexion radio pour transporter les données du support (bearer) S1 qui lui est attribué. En cas de mauvaises conditions radio pour la station de base SeNB, le débit du support (bearer) est réduit et donc le transport de ce support (bearer) est affecté. La communication établie entre le mobile UE et les deux stations de base eNB est bi-directionnelle. Cette configuration permet de favoriser le déchargement d’une cellule vers une autre (offloading).

Dans le deuxième cas, le trafic est commuté au niveau de la station de base MeNB. En cas de mauvaises conditions radios pour la station de base secondaire SeNB, la station de base maître MeNB va pouvoir ordonnancer différemment les flux. En contrepartie, dans la release R.12, le lien montant n’est géré que sur la station de base maître MeNB. La gestion du lien montant sur la station de base secondaire SeNB est possible à partir de la release R.13.

Ainsi, la première solution est moins adaptée en cas de mobilité du mobile UE car la mobilité du mobile UE de la station de base secondaire SeNB vers la station de base SeNB impacte l’entité SGW, donc le CN. Quant à la deuxième solution, elle nécessite de pouvoir gérer une charge de trafic plus conséquente au niveau du réseau de transport backhaul.

Enfin, dans les releases R.12 et R.13 les bandes de fréquences des deux stations de base eNB sont distinctes, aucun mécanisme de gestion d’interférence n’a été proposé pour permettre l’utilisation des mêmes bandes.

Figure 1.16 : Les architectures 4G-DC 1A/3C

1.4.1. Le plan de signalisation du DC

Quel que soit l’architecture retenue pour le plan de transport, la terminaison du plan de contrôle S1-MME est ancrée au niveau de la station de base MeNB. L’entité MME ne voit donc pas la station de base secondaire SeNB.

La station de base maître MeNB contrôle la configuration du DC, le MeNB est la seule entité qui transmet et reçoit les messages RRC vers le mobile UE (figure 1.17). La station de base secondaire SeNB gère la couche RLC et la couche MAC. En cas de changement de configuration du support radio ou de handover avec la station de base secondaire SeNB, l’information RRC est échangée entre la station de base secondaire SeNB et la station de base maître MeNB dans un conteneur RRC via l’interface X2. Dans le cas du DC, le mobile UE est configuré pour faire des mesures radios sur les deux cellules (RRM measurements events A3 et A5) et pour réaliser une procédure d’accès aléatoire (RACH). En cas de perte de connexion du lien radio RLF (Radio Link Failure) avec la station de base secondaire SeNB, le mobile UE n’émet aucune requête RRC puisque la connexion radio avec la station de  base maître MeNB est maintenue.

Figure 1.17 : La couche RRC pour l’architecture DC 3C

1.4.2. La description du plan utilisateur

Concernant le trafic, celui-ci est partagé entre le mobile UE et les 2 stations de base (MeNB et SeNB). La 3GPP propose une séparation du trafic utilisateur (flux IP) représentée sur les figures 18 et 19.

  • au niveau de l’entité SGW (QoS, ARP) : MCG bearer/SCG bearer (figure 1.18)
  • au niveau des paquets PDCP : Split Bearer (figure 1.19)

Initialement, 7 architectures ont été proposées :

  • 1A : 2ème support (bearer) S1-U est ancré au niveau de la station de base secondaire SeNB et géré par la couche PDCP de cette station de base secondaire SeNB indépendamment du 1er bearer ;
  • 2A : les 2 supports (bearer) S1-U sont ancrés au niveau de la station de base maître MeNB. Le deuxième bearer est commuté vers la station de base secondaire SeNB et pris en charge par la couche PDCP de cette seconde station de base SeNB indépendamment du 1er support (bearer) ;
  • 2B : les 2 supports (bearer) S1-U sont ancrés au niveau de la station de base maître MeNB. Le deuxième support (bearer) est commuté vers la station de base secondaire SeNB, géré au niveau de la couche PDCP de la station de base maître MeNB et transmis à la couche RLC de la station de base secondaire SeNB ;
  • 2C : les 2 supports (bearer) S1-U sont ancrés au niveau de la station de base maître MeNB. Le deuxième bearer est commuté vers la station de base secondaire SeNB, géré par la couche PDCP et la couche RLC de la station de base maître MeNB et transmise à la couche RLC de la station de base secondaire SeNB ;
  • 3A/3B/3C se different des architectures 2A/2B/3C par le fait que le 2ème support (bearer) est commuté à partir de la couche PDCP de la station de base MeNB vers la couche PDCP de la station de base secondaire SeNB

La norme 3GPP propose deux architectures différentes :

  • Architecture 3C s’effectue au niveau de la couche PDCP. L’eNB maître MeNB effectue une commutation de support (bearer).
  • Architecture 1A  correspond à une séparation de flux au niveau du SGW. Le trafic est séparé et transporté sur deux supports (bearer) S1 logique différent vers les entitées MeNB et SeNB.( MCG/SCG Bearer)

Figure 1.18 : La séparation des flux au niveau du SGW : MCG/SCG  Bearer (1A)

Figure 1.19 : La séparation des paquets au niveau du eNB : Split Bearer (3C)

Figure 1.20 : La séparation des flux  au niveau de la couche 2

Le mobile UE doit disposer de deux entités MAC et RLC dans le cas du DC, l’une échange le trafic avec la station de base maître MeNB, la seconde échange le trafic avec la station de base secondaire SeNB et d’une seule entité PDCP pour l’architecture Split Bearer ou deux entités PDCP pour l’architecture MCG/SCG bearer.

La fonctionnalité de la couche PDCP pour le mobile UE doit être mise à jour pour  pouvoir gérer et ordonnancer des paquets provenant de deux couches RLC différentes et prenant en compte la latence du backhaul.

1.4.3. Le plan de transport

Concernant le réseau de transport backhaul, lors de la séparation du trafic au niveau de la station de base maître MeNB, le flux est transmis de l’entité SGW vers la station de base maître MeNB via des routeurs. Dans l’architecture Split Bearer, la station de base maître MeNB va retransférer les paquets concernant la station de base secondaire SeNB vers le même routeur comme le montre la figure 1.21. Il y a donc un impact sur la capacité du lien du réseau de transport backhaul lors de la séparation des paquets au niveau de la station de base maître MeNB.

Figure 1.21 : Backhaul CN vers les eNB

1.4.4.1 L’interface S1

Concernant le plan de transport, selon la séparation de support (bearer) (figure 1.18) au niveau de l’entité SGW ou la commutation de bearer au niveau de la station de base maître MeNB (figure 1.19), il est nécessaire de construire respectivement deux supports (bearers) S1-U (SGW/MeNB et SGW/SeNB) ou un seul support (bearer) S1-U entre l’entité SGW et la station de base maître MeNB.

Concernant le plan de contrôle, nous avons vu qu’il n’existe qu’une seule interface S1-MME entre l’entité MME et la station de base maître MeNB.

L’architecture 3C est transparente pour le cœur réseau CN, la station de base MeNB fournit ses identifiants de tunnel pour construire le contexte au niveau de l’entité SGW.

Dans le cas de l’architecture 1A, la station de base maître MeNB doit gérer d’une part l’établissement du RAB concernant la station de base secondaire SeNB et d’autre part assister l’entité MME pour l’établissement du contexte de routage au niveau de l’entité SGW. Ainsi deux contextes sont à créer :

  • Le contexte de routage de support (bearer) de l’entité SGW vers la station de base maître MeNB (procédure classique) ;
  • le contexte de routage du support (bearer) de l’entité SGW vers la station de base secondaire SeNB. La station de base maître MeNB doit donc informer l’entité MME des paramètres de contextes différents tels que le TEID de la station de base secondaire SeNB et son adresse IP pour pouvoir construire la table d’acheminement de contexte au niveau de l’entité SGW.

L’établissement d’un ou plusieurs RAB est à l’initiative de l’entité MME qui envoie un message E-RAB Setup Request vers la station de base maître MeNB. Pour que la station de base maître MeNB puisse apporter des modifications sur un E-RAB établi, elle envoie une requête E-RAB Modification Indication vers l’entité MME.

La requête E-RAB Modification contient les champs suivant :

  • Le numéro de tunnel GTP TEID pour la transmission de données vers le SeNB
  • L’adresse IP du SeNB

Figure 1.22 : La procédure d’établissement d’un support pour l’architecture 1A

Cet échange permet de mettre à jour la table d’acheminement des données sur le plan utilisateur.

1.4.4.2 L’interface X2

Avec la technologie DC, de  nouvelles fonctionnalités doivent être rajoutées sur l’interface X2 entre les stations de base maître et secondaire (MeNB et SeNB) pour :

  • prendre en compte les mesures radios du mobile UE effectuées sur la station de base secondaire SeNB pour que la station de base maître MeNB puisse établir, modifier ou libérer le contexte du mobile UE au niveau de la station de base secondaire SeNB.
  • informer la station de base maître MeNB de l’acquittement des paquets de la couche PDCP PDU transférer par la station de base secondaire SeNB dans le cas de l’architecture 1A

Ainsi, le protocole d’application X2-AP doit :

  • permettre à la station de base maître MeNB d’ajouter/de modifier/de libérer des ressources radios entre la station de base secondaire SeNB et le mobile UE ;
  • permettre de réaliser un handover de la part de la station de base secondaire SeNB ;
  • Dans le cas d’une séparation des flux au niveau de la station de base maître MeNB (sur la couche PDCP PDU), les données sont sauvegardées au niveau de la station de base maître MeNB puis transférées vers la station de base secondaire SeNB cible.
  • Dans le cas d’une séparation de bearer au niveau de l’entité SGW, les données doivent être transférées de la station de base secondaire SeNB vers la station de base maître MeNB (phase de préparation du handover).
  • permettre de réaliser un handover de la station de base maître MeNB ;
  • Les données sont transférées de la station de base secondaire SeNB vers la station de base maître MeNB source puis de la station de base maître MeNB source vers la station de base eNB cible.
  • réaliser un contrôle de flux entre la station de base maître MeNB et la station de base secondaire SeNB en cas de séparation de flux au niveau paquets
  • la station de base secondaire SeNB transmet les Informations Système vers la station de base maître MeNB dans un container SI

A titre d’exemple, la station de base maître MeNB décide de répartir la charge de trafic avec une station de base secondaire SeNB. L’établissement d’un E-RAB avec la station de base secondaire SeNB est initié par la requête SeNB Addition Request. Cette commande a pour objectif de demander à la station de base secondaire SeNB d’allouer des ressources en vue de préparer une opération de Dual Connectivity avec un mobile UE spécifique et de transférer à la station de base secondaire SeNB la clé de chiffrement S-KeNB dans le cas de l’option 1A (car la couche PDCP est gérée par la station de base secondaire SeNB).

Figure 1.23 : La procédure d’ajout d’une station de base secondaire

Le message SeNB reconfiguration complete permet d’informer la station de base secondaire SeNB de la prise en compte de la configuration au niveau du mobile UE. Le mobile UE reçoit préalablement une requête RRCConnectionReconfiguration pour lui permettre d’associer le support radio de données RAB avec le support bearer EPS. Lorsque la station de base maître MeNB reçoit la réponse RRCConnectionReconfigurationComplete, le RAB est établi et la station de base maître MeNB pourra ainsi transmettre à l’entité MME les adresses IP et les points de terminaisons TEID des tunnels GTP pour la transmission de données.

En reprenant la figure 1.22 et 1.23, l’ensemble des messages pour établir la procédure DC est la suivante :

Figure 1.24 : La procédure d’établissemen DC initiée par le MeNB

Pour résumer, la station de base maître MeNB sélectionne la station de base secondaire SeNB sur laquelle le tunnel supplémentaire va être créé. La release R.13 maintient le principe de sélection de la station de base secondaire SeNB par la station de base maître MeNB, avec une évolution permettant au mobile UE de calculer la différence de marche (timing difference) entre la station de base maître MeNB et secondaire SeNB.

Chaque station de base eNB va gérer le mobile UE de manière indépendante. Cependant, le mobile UE est limité par ses capacités en fonction de sa catégorie  (Nombre maximum de bloc de transport DL-SCH, … UE-AMBR, …). La station de base maître MeNB peut donc définir des restrictions sur la capacité de l’UE pour la station de base secondaire SeNB ou la station de base secondaire SeNB peut aussi informer (via l’interface X2) les schémas d’allocation pouvant être assurés par celle-ci pour le mobile UE.

Si le mobile UE détecte un échec du lien radio (dépassement du nombre de RACH, rupture du lien radio, …), alors le mobile UE informe la station de base maître MeNB afin que celle-ci libère le RAB avec la station de base SeNB.

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1.3. L’évolution de l’architecture

Afin de faire face à un trafic de plus en plus élevé et afin d’accroitre la couverture, les opérateurs doivent densifier leur réseau cellulaire en ajoutant soit des relais RN (Relay Node) soit des stations de base. La portée de chaque relai ou station est réduite (d’une dizaine de mètres à quelques kms) et constitue ainsi des petites cellules (small-cell).

La release R.10 introduit la notion de relai et des réseaux hétérogènes, la release R.11 optimise les déploiements hétérogènes et la release R.12 propose une optimisation de la mobilité des mobiles UE dans le réseau hétérogène. La release R.12 propose de plus la gestion des cellules (On/Off) selon le trafic. La gestion des cellules répond à deux besoins : Réduire la consommation d’énergie du réseau et réduire les interférences d’une station de base eNB vers une autre station de base eNB.

1.3.1. Les relais

Le nœud relais RN communique avec l’entité eNB via l’interface air nommée Un (backhaul). L’entité eNB se nomme DeNB (Donor eNB) pour le relai RN. L’entité DeNB supporte les fonctionnalités de proxy S1 et X2. A ce titre, il apparait à la fois comme une entité MME pour le RN (interface S1-MME), comme une station de base eNB pour le le RN (interface X2) et comme une entité SGW pour le RN (interface S1). Le mobile UE est connecté au relai via l’interface Uu traditionnelle. Un relai RN ne peut pas être lui-même un relai pour une station de base eNB. Dans les releases R.10 et R.11, le handover inter-relai n’est pas supporté.

On distingue deux types de relai : Les relais aussi appelés répéteurs (Amplify and Forward Relay)  récupère le signal émis par la station de base eNB et le re-transmet, amplifiant ainsi le bruit de réception (sans amélioration du rapport signal sur bruit SNR). Pour  améliorer la transmission,  il est préférable de décoder le signal et le re-transmettre. Il s’agit des relais de type Decode and Forward.

Quel que soit le type de relai, ce dernier est transparent pour le mobile UE, ce qui signifie :

  • le RN contrôle une cellule et apparait pour l’UE comme une cellule différente du DeNB. Il dispose ainsi de son propre identifiant PCI, de ses signaux de références ;
  • l’UE reçoit les informations de contrôle d’ordonnancement, l’HARQ et retourne les informations de buffer, de canal CQI et d’ACK au RN

Le relai RN possède deux connexions physiques radios, l’une vers la station de base DeNB, l’autre vers el mobile UE.

Dans la release R.8, afin de ne pas générer d’interférences, le relai RN communique soit sur deux bandes de fréquence différentes entre le mobile UE et la station de base DeNB (isolation RF – outband relay) ou sur une zone géographique non couverte par la station de base eNB en utilisant la même bande de fréquences (inband relay).

La Release R.10 propose de faire du multiplexage temporel entre la communication du relai RN vers la station de base DeNB et la communication du relai RN vers le mobile UE pour le scénario Inband Relay. La gestion de la connexion est gérée par la couche RRC. Les sous trames du lien descendant de la station de base DeNB vers le relai RN sont configurées au niveau du relai RN comme un canal de communication de type MBSFN (Multibroadcast Single Frame Radio) afin de maintenir la compatibilité avec la release R.8 : Le MBFSN permet à la station de base eNB et au relai RN de transmettre sur les 2 premiers octets de la sous-trame (cas du préfixe CP long) la signalisation (PDCCH, PCFICH, PHICH) sans avoir à transmettre les signaux de références (RS). Les sous-trames réservées pour le MBSFN sont les sous trames 1,2, 3, 6, 7 et 8.

Le relai est alors configuré en sous trames MBSFN et de nouveaux canaux de contrôle (R-PDCCH) et de données (R-PDSCH) sont introduits pour utiliser les symboles inoccupés de la trame MBSFN en voie descendantes de la station de base DeNB vers le relai RN. Le R-PDCCH porte les informations de contrôle DCI (Downlink Control Information) pour les relais RN et sont transmis à la place des données du canal PDSCH.

Si la sous trame de numéro n est allouée pour une transmission sur le lien descendant de la station de base DeNB vers le relai RN alors la sous-trame n+4 sera allouée pour le sens montant du relai RN vers la station de base DeNB. Il ne peut donc pas avoir de communication entre le mobile UE et le relai RN pendant cette sous-trame. Il suffit au relai RN de n’allouer aucune ressources PUCCH sur ces sous-trames (ou PDCCH pour la trame précédente). Par contre, le relai RN utilise les sous-trames restantes pour communiquer avec l’UE.

A partir de la release R.10, la 3GPP prévoit des scénarios de déploiement ou les petites cellules sont des entités eNB localisées dans une zone déjà couverte par une macro-cellule, on parle alors de déploiement hétérogène. Toutefois, si le nombre de petites cellules est très élevé, les interférences entre cellules seront importantes. Pour réduire les interférences entre cellules, la release R.12 propose un mécanisme permettant d’activer ou de désactiver des petites cellules en fonction de la charge du trafic (Small Cell On/Off) ou d’augmenter la taille de la cellule (Cell Range Expansion).

1.3.2. Les réseaux hétérogènes

Afin de fournir une capacité élevée (débits par km²), il est nécessaire de densifier l’accès radio en augmentant le nombre de nœuds. Le déploiement hétérogène consiste à superposer aux macro-cellules (réseau overlaid) un réseau de petites cellules (hot-spot, pico-cellules, micro-cellules : réseau underlaid) comme le montre la figure 1.11.

Figure 1.11. Déploiement hétérogène

Le LTE est une technologie d’accès radio large bande, utiliser des bandes différentes entre le réseau overlaid et underlaid conduit à une fragmentation spectrale non optimale. La gestion des interférences est donc un enjeu majeur pour le déploiement hétérogène à re-utilisation de fréquence (single frequency reuse). Nous verrons la gestion des interférences dans le chapitre 4.

Toutefois, si l’opérateur a déployé son réseau de macro-cellules sur une bande  de fréquences basses (700 ou 800 MHz), il va plutôt préférer utiliser une fréquence élevée pour les petites cellules.

Dans l’un des trois cas suivant; démarrage, perte de couverture ou de manière périodique, le mobile UE fait une sélection de cellules en identifiant les cellules  à partir des signaux de synchronisation et l’identifiant de cellule PCI (Physical Cell Identity) émis par les stations de base eNB. Une fois la cellule sélectionnée, en mode de veille, le mobile UE détecte les cellules voisines et peut faire une demande de re-sélection de cellule.

En LTE, le choix de re-sélection de cellule dépend :

  • De la fréquence de la bande
  • Du réseau cellulaire d’accès (2G/3G/4G) nommé RAT

Le mobile UE dispose de critères de déclenchement de recherche de cellule afin d’éviter de faire en permanence des mesures radios. Les règles définies pour le LTE sont les suivantes :

  • le mobile UE doit faire des mesures sur une fréquence ou un RAT plus prioritaire que la cellule sur laquelle il est connecté ;
  • une fois à l’écoute de la cellule la plus prioritaire, tant que la puissance du signal de la cellule sur laquelle l’UE est connecté est supérieure à un seuil de référence, l’UE ne fait pas de recherche de cellules voisines. Cela évite à l’UE de consommer de l’énergie pour faire des recherches de cellules ;
  • si le niveau de la cellule est inférieur à un seuil, l’UE doit réaliser des mesures sur des cellules voisines

En mode de veille, lorsque le critère de déclenchement est atteint :

  • le mobile UE re-sélectionne une cellule plus prioritaire ;
  • le mobile UE re-selectionne une cellule de même priorité sur la même fréquence ou sur une fréquence différente en comparant la puissance reçue par la cellule serveuse et les cellules voisines (à partir du signal de référence RSRP). Pour éviter les effets de ping-pong, la puissance mesurée (RSRP) sur la cellule serveuse est augmentée d’une valeur d’hysteresis alors que les puissances mesurées sur les cellules cibles sont diminuées d’une valeur d’Offset. Les valeurs d’offset et de trigger sont émises par chacune des stations de base eNB dans les messages d’informations SIBs.

En mode de veille, le mobile UE peut donc sélectionner une petite cellule grâce aux valeurs d’offset et d’hystéresis paramétrés sur chacune des stations de base eNB.

En mode connecté, la sélection est déclenchée par la station de base eNB en fonction des mesures réalisées par le mobile UE et transmis au mobile UE par le protocole RRC.

Dans le cas déploiement hétérogènes, le mobile UE peut être sous la couverture de stations de bases différentes comme par exemple sous la couverture d’une macro-cellule et d’une pico-cellule comme le montre la figure 1.12.

Si le mobile UE est à l’intérieur de la zone de couverture de la pico-cellule, les liens montant et descendant seront réalisés par la pico-cellule. La zone de couverture est dimensionnée par rapport à la puissance d’émission du nœud. Si le mobile UE est à la périphérie de la zone de couverture, il recevra un meilleur signal en provenance de la macro-cellule mais le lien montant sera moins atténué avec la pico-cellule. Cependant, le mobile UE établi une connexion RRC qu’avec une seule entité eNB.

Figure 1.12. La communication bi-directionnelle dans un réseau hétérogène

Le CRE (Cell Range Expansion) est une technique qui permet d’augmenter la zone de couverture de la pico-cellule afin de décharger le trafic de la macro-cellule.

Figure 1.13 : L’ajustement automatique de la taille des cellules

Le mobile UE mesure le niveau de puissance de la cellule macro et de la pico en ajoutant un biais de 6 à 9 dB sur la puissance RSRP mesurée au niveau de la cellule pico.

1.3.3 Le mécanisme d’extinction des cellules

Même en l’absence d’utilisateur, les stations de base eNb émettent en permanence des signaux de références CRS, des informations de synchronisation (PSS/SSS) et des informations de la voie balise (BCCH). Cela permet à un mobile UE en mode de veille de détecter la présence de station de base eNB. Dans le cas des pico-cellules, la probabilité qu’il n’y ait aucun mobile UE connecté dans la zone de couverture de la pico-cellule n’est pas négligeable. Ainsi, pour réduire les interférences (le rapport signal sur bruit), la release R.9 et le mécanisme SON (Self Optimized Network) permet d’éteindre des cellules lorsque la station de base est très peu chargée. La station de base ne transmet plus aucun signal, elle est à l’état dormant mais peut être réveillée par une station de base voisine via l’interface X2.

Lorsque le réseau décide de basculer une cellule à l’état OFF (peu de trafic), la station de base libère les connexions existantes via le mécanisme de handover ou de re-direction vers une autre cellule. Ainsi, la technique d’extinction d’une pico-cellule ne peut se faire que si d’autres stations de base peuvent couvrir la zone de la pico-cellule.

Toutefois, le fait qu’il n’y ait pas de mobile UE connecté avec la pico-cellule (RRC Connected)  n’exclut pas l’existence de mobiles UE en mode de veille à l’écoute de la pico-cellule. De plus, le passage de la pico-cellule de l’état dormant à l’état actif prend une centaine de millisecondes, ce qui ne permet pas de suivre efficacement le trafic et la mobilité des utilisateurs.

La release R.12 améliore l’efficacité du mécanisme d’extinction de cellule afin d’accélérer le temps de passage de l’état dormant à l’état actif en proposant deux mécanismes supplémentaires :

  • Transmission d’un signal de découverte DRS (Discovery Reference Signal)
  • Utiliser la commande RRC SCell Activation/Deactivation

Lorsque la cellule est à l’état dormant, la release R.12 propose de transmettre périodiquement un signal de découverte DRS permettant aux mobiles UE supportant cette fonctionnalité de découvrir l’existence de la cellule dormante et de faire des mesures sur cette cellule. Le signal DRS est transmis sur deux sous-trames, afin d’assurer une compatibilité avec les évolutions antérieures : le DRS est composé du PSS, SSS, CRI-RS et du CRS comme le montre la figure 1.14. Le retour des mesures effectuées par le mobile UE vers la macro-cellule peut inciter le réseau à basculer la pico-cellule à l’état actif et le mobile UE peut rapidement se connecter sur la pico-cellule pour l’agrégation de porteuses. Ainsi, la pico-cellule n’est vu que comme une cellule secondaire et le mobile UE active/désactive une connexion avec la cellule par la procédure RRC Activation/Déactivation.

Figure 1.14: Découverte de la cellule : DRS

La périodicité du DRS peut être de 40, 80 ou 160 ms.

COURS IUT Chapitre 1 (Part 1)

Chapitre 1 : L’architecture du réseau de mobiles 4G

1-1. L’architecture fonctionnelle

Le réseau de mobiles 4G a été défini dans la Release.8 sous le nom EPS (Evolved Packet System).

L’architecture fonctionnelle du réseau EPS est décrite à la figure 1.1. Elle se découpe en deux sous réseaux : un cœur réseau EPC (Evolved Packet Core) et un réseau d’accès radioélectrique E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network).

Figure 1.1. L’architecture fonctionnelle du réseau EPS (1)

Le réseau d’accès E-UTRAN assure la connexion des mobiles et la réservation des ressources radio entre le mobile UE  (User Equipment) et l’entité eNB (evolved Node Base station) sur une bande de fréquences (LTE) ou sur plusieurs bandes de fréquences (LTE-Advanced).

Le cœur de réseau EPC interconnecte les réseaux d’accès, fournit l’interface au réseau de données PDN (Packet Data Network) et assure l’attachement des mobiles, l’autorisation d’accès au service et l’établissement des supports (bearers).

L’architecture protocolaire s’appuie sur le protocole IP  (Internet Protocol), chaque entité dispose d’une ou plusieurs adresses IP. Les entités sont connectées entre elles par un réseau de transport (backhaul) constitué de routeurs permettant de faire des marquages de QoS (Quality Of Service). Le protocole de routage utilisé est le MPLS (MultiProtocol Label Switching ) et la QoS est gérée par étiquetage d’un champ d’entête IP nommé DSCP (DiffServ Code Point).

Figure 1.2. Le réseau EPS et le backhaul

1.1.1. L’entité eNB

L’entité eNB est la partie visible du réseau de l’opérateur. L’eNB est composé :

  • d’une ou plusieurs antennes : l’antenne est l’élément passif qui transforme un signal électrique en une onde électromagnétique et réciproquement ;
  • d’un ensemble d’émetteurs/récepteurs nommés TRX modulant le signal numérique en signal analogique vers l’antenne et inversement. Les modules TRX gèrent aussi la compensation du signal modulé ;
  • d’amplificateur de puissance. Le signal issu de l’émetteur est amplifié ;
  • d’une unité de traitement en bande de base BBU (Base Band Unit).

Le système actif est généralement situé dans un local technique constitué :

  • d’une alimentation et des batteries de secours (Power Distribution Module)
  • d’un système de ventilation (Fan Control Module) ;
  • d’un contrôleur (Control and Maintenance Module) ;
  • d’élément de transmission (Transceiver Module) ;
  • des connecteurs d’antennes (Combiner Distribution Unit).

Le local technique est soit positionné au pied de l’antenne, soit dans un abri (shelter) sur le toit (rooftop). La figure 1.3 représente la structure matérielle de l’entité eNb dans laquelle se trouvent l’unité BBU, et le système actif.

Figure 1.3. La description matérielle d’une station de base (2)

Depuis quelques années, on voit apparaître un boitier nommé unité RRU (Remote Radio Unit) ou RRH (Remote Radio Head) proche de l’antenne.

L’unité RRU englobe les fonctions permettant de convertir le signal en bande de base vers un signal radio-fréquence (RF) et inversement.

L’unité RRU est donc composée des modules de transmissions TRX et des amplificateurs.

Figure 1.4. Le découpage BBU et RRU

On sépare ainsi la fonction de bande de base effectuée par l’unité BBU de la fonction Radio Fréquence. Sur la figure 1.4, le module RRU est logé près de l’antenne afin de supprimer l’amplificateur faible bruit TMA (Tower Mounted Amplifier).

L’unité BBU gère la couche physique, elle réalise la pré-modulation, le codage, l’allocation de ressource. L’unité BBU est constituée d’une carte contrôleur et d’une carte SDR (Soft Design Radio) dans un châssis. La carte contrôleur se raccorde à l’entité MME et à l’entité SGW (Serving Gateway) et la carte SDR est connectée au module RRU. La carte SDR (radio logicielle) permet de réaliser le traitement logiciel du signal pour la 2G/3G/4G. Ainsi, le même équipement peut gérer les différents accès radios, ce que réalise l’opérateur lorsqu’il fait évoluer (swap) ses équipements.

Le lien entre l’unité BBU et le module RRU s’appelle le réseau de transport fronthaul. En général, le lien est un câble optique standard nommé CPRI (Common Public Radio Interface). La technologie CPRI transporte les flux de données et la synchronisation entre deux entités : l’entité Radio Equipment (RE) qui correspond au module RRU et l’entité Radio Equipment Control (REC) qui correspond à l’unité BBU. Le rôle du RE est de construire la forme d’onde du signal radio, le REC génère le signal radio. Les données de plan de transport sont numérisées (I/Q) sur M

bits pour chaque secteur d’antenne et pour une seule porteuse (connu sous le nom de concept AC Antenna Carrier).

Il est ainsi possible de transférer différents types de signaux via le CPRI et de reconstruire la forme d’onde au niveau du RE (GSM, UMTS, WiMAX, LTE). Le débit du lien CPRI-1 est de 614.4 Mbps, légèrement inférieur au lien STM-4. La distance entre le RE et le REC peut être de 10 kms. Nativement, le CPRI supporte le multiplexage de 2 CPRI-1, nommée CPRI-2 (1228,8 Mbit/s).

Figure 1.5. REC – CPRI – RE

Prenons un exemple : si l’on suppose que le module RRU doit gérer 4 secteurs opérant chacun sur une bande MIMO 2×2 LTE de 20 MHz, alors il est nécessaire de transmettre 4 groupes (un groupe par secteur) de 2 AC (MIMO 2×2). Si la numérisation est sur M=15 bits par voies (I et Q), alors le débit est de  15*2* 8 AC =240 bits par Te, Te étant la période d’échantillonnage. Sachant que pour 20 MHz, la fréquence d’échantillonnage est de fe=30,72MHz alors le débit est de 7372.8Mbps. Une multi-trame est composée d’une trame de synchronisation et de 15 trames de données, le débit réel est donc de 16/15* 7372.8 soit 7864,32 Mbps. Enfin les données sont encodées par un codeur canal 8B/10B, le débit total est donc de 8/10*7864,32=9830,4 Mbps, ce qui correspond à un multiplexage de 8 CPRI-2.

Dans le cas d’une agrégation de porteuses sur 5 canaux (100 MHz) sur 4 secteurs, avec des antennes MIMO 8×8, le débit est alors multiplié par 20.

Il est également possible d’empiler  (stack) plusieurs unités BBU, chacune connectée à différents modules RRU créant ainsi un pool de cartes BBU (BBU centralization ou BBU Hosteling), afin d’améliorer la fiabilité du réseau d’accès radio. Il s’agit du Cloud RAN ou C-RAN. L’unité BBU n’est plus distribuée mais centralisée et connectée aux modules RRU par des modules de transports optiques CPRI.

 

Figure 1.6. La BBU centralisée

Après avoir présenté la partie matérielle, nous allons lister les fonctions de l’entité eNB.

L’entité eNB assure l’établissement du support radioélectrique DRB (Data Radio Bearer) sur lequel est transmis le trafic du mobile dans le sens montant (UL Uplink) et descendant (DL Downlink). Si le nombre de demandes de connexion est trop élevé, l’entité eNB gère la congestion (contrôle l’accès des mobiles UE sur l’entité eNB) en interdisant l’accès à la cellule pour des nouveaux mobiles UE.

L’entité eNB gère les ressources radio et l’attribution des ressources pour chaque utilisateur. Pour cela, l’entité eNB utilise les mesures effectuées par le mobile UE pour décider du déclenchement d’un changement de cellule en cours de session (handover). En plus de gérer la mobilité des utilisateurs en cours de session, les mesures permettent de réaliser un contrôle en puissance et d’assister l’entité eNB à ordonnancer les flux vers les mobiles UE (priorité des flux et gestion des débits entre chaque mobile UE).

Les données sont transmises sur le plan utilisateur (User Plane) et la signalisation est transmise sur le plan de contrôle (Control Plane). L’architecture du protocole radio est présentée dans le chapitre 1.2 (se référer aux figures 1.7 et 1.8).  La signalisation permet d’établir ou de ré-établir un  tunnel entre le mobile UE et le réseau de données PDN et de préparer les ressources (Accès radio, handover, …).

Le point de contrôle du réseau 4G est l’entité MME (Mobility Management Entity). L’entité eNB transfère la signalisation NAS (Non Access Stratum) du mobile UE vers l’entité MME et de l’entité MME vers le mobile UE via l’interface S1-MME. L’entité eNB effectue la sélection de l’entité MME du cœur de réseau à laquelle s’attache le mobile.

En qualité de point d’accès pour le plan de transport, l’entité eNB transfère les données de trafic provenant du mobile vers l’entité SGW (Serving Gateway), et celles provenant de l’entité SGW vers le mobile à travers un tunnel IP. Ce tunnel est défini par un identifiant d’acheminement nommé TEID  (Tunnel End Identifier) et d’un identifiant de la classe de service QCI (QoS Class Identifier). L’identifiant TEID et l’identifiant QCI sont nécessaire pour établir l’acheminement des données et la mise en œuvre du mécanisme d’ordonnancement des données. Ces informations forment un contexte et sont stockées au niveau de l’entité SGW et l’entité PGW (PDN Gateway). L’identifiant QCI permet de marquer les champs DSCP des paquets IP afin de différencier les services proposés par ordre de priorité et de garantir les débits pour certaines applications.

En termes de sécurité, les données entre l’entité eNB et le mobile UE sont chiffrées. La signalisation est également chiffrée et un contrôle d’intégrité permet d’éviter une attaque de type Man In the Middle.

1.1.2. L’entité MME

L’entité MME contrôle le droit d’accès des mobiles UE et les services accessibles pour chaque mobile UE dans le réseau de l’opérateur (PLMN Public Land Mobile Network).

Le droit d’accès au réseau (Home HPLMN ou Visité VPLMN) s’effectue via la procédure d’attachement. Lors de l’attachement, l’entité MME récupère le profil et les données d’authentification du mobile stockés dans l’entité HSS (Home Subscriber Server) et procède à l’authentification du mobile. Cette procédure permet au mobile UE d’authentifier le réseau sur lequel il se connecte et au réseau d’authentifier le mobile UE.

Si la double authentification aboutie, l’entité MME sauvegarde le contexte du mobile UE. Le contexte contient l’abonnement du profil du mobile UE (profil récupéré auprès du HSS) ainsi qu’un ensemble d’informations sur les capacités du mobile UE, la localisation du mobile UE, son identifiant, et les clés de sécurités dérivées.

Les capacités correspondent aux caractéristiques techniques (Information Element) du mobile UE (nombre d’antennes, débit maximum, … ) alors que le profil d’abonnement récupéré au niveau du HSS permet de définir l’accès aux services de l’utilisateur (service voix sur IP, accès Internet, applications objets connectés, …). Le MME récupère également les points d’accès APN (Access Point Name) permettant de déterminer la passerelle permettant d’atteindre le PDN spécifique.

Lors de l’attachement, l’entité MME enregistre l’identité de la zone de localisation TAI (Tracking Area Identity) du mobile et lui attribue l’identité temporaire GUTI (Globally Unique Temporary Identity) qui remplace l’identité privée IMSI (International Mobile Subscriber Identity). Le GUTI devient l’identifiant unique temporaire de l’UE. Le GUTI est composé d’un identifiant du PLMN/MME suivi d’un identifiant unique de l’UE sur le MME. A partir du GUTI, il est donc possible de retrouver le MME qui gère l’UE.

L’entité MME sélectionne l’entité SGW et à partir du point d’accès APN, l’entité MME contacte l’entité PGW. La signalisation émise par l’entité MME permet de créer une entrée supplémentaire à la table de contexte de l’entité SGW et de l’entité PGW. Cette table contient les informations concernant le tunnel par défaut (default bearer) entre le mobile UE et l’entité PGW.

Une fois le mobile UE attaché, l’entité MME contrôle l’établissement et le ré-établissement des tunnels (par défaut ou dédié) pour la transmission des données de trafic pour chaque mobile UE.

Le mobile UE contacte l’entité MME via une station de base eNB. Chaque station de base eNB est connectée à une ou plusieurs entités MME. On parle alors d’un groupe de MME (pool). Afin de gérer l’équilibrage de la charge des entités MME, chaque entité MME transmet une information de facteur de charge à la station de base eNB.  L’équilibrage de charge est donc réalisé par les entités eNB en fonction des informations émises par les entités MME.

En cas de mobilité, l’entité MME gère une liste de zones de localisation allouées aux mobiles, dans lesquelles le mobile, à l’état de veille, peut se déplacer sans contacter l’entité MME pour mettre à jour sa localisation. L’entité MME constitue le point d’ancrage du plan de contrôle à condition que le mobile ne change pas de groupe. Si le mobile UE se déplace vers une station de base eNB non connectée à l’entité MME qui contient le contexte du mobile UE, alors l’entité MME source sélectionne l’entité MME cible pour lui transférer le contexte.

L’entité MME fournit les informations requises pour les interceptions légales, par exemple l’état du mobile (en veille ou connecté), sa localisation TAI si le mobile est en veille ou l’identité de la cellule ECGI (E-UTRAN Cell Global Identifier) si le mobile est en session.

1.1.3. L’entité SGW

L’entité SGW constitue le point d’ancrage du plan utilisateur pour le handover intra-système (mobilité à l’intérieur du réseau 4G) à condition que le mobile ne change pas de groupe. Dans le cas contraire, l’entité PGW assure cette fonction. Les entités SGW sont également organisées en groupes (pools) et afin d’assurer l’équilibrage de la charge des entités SGW, chaque entité eNB d’un groupe doit avoir accès à chaque entité SGW du même groupe.

L’entité SGW constitue également le point d’ancrage lors du handover inter-système en mode PS (Packet-Switched), nécessitant le transfert du trafic du mobile vers un réseau de mobiles de 2ème ou de 3ème génération.

L’entité SGW transfère les données entrantes provenant de l’entité PGW vers la station de base eNB et les données sortantes provenant de la station de base eNB vers l’entité PGW.

L’entité SGW informe l’entité MME pour les données entrantes lorsque le mobile est à l’état de veille, ce qui permet à l’entité MME de déclencher une procédure de notification (paging) à destination de toutes les stations de bases eNB de la zone de localisation TAI.

Lorsque l’entité SGW reçoit des données des entités eNB ou PGW, elle se réfère au contexte afin de connaitre l’identifiant de la classe de service QCI pour la mise en œuvre du mécanisme d’ordonnancement des données et pour le marquage du champ DSCP des paquets IP.

Dans le cas de l’itinérance correspondant à l’architecture Home Routed (le flux est transféré vers le PGW du réseau Home), l’entité SGW du réseau visité dérive le trafic du mobile dans le cadre des interceptions légales.

1.1.4. L’entité PGW

L’entité PGW est le routeur de passerelle assurant la connexion du réseau EPS au réseau de données PDN.

Au cours de la procédure d’attachement, l’UE se voit affecter une adresse IP (IPv4 ou IPv6) attribuée par l’entité PGW. Ainsi, en cas de l’itinérance (roaming) dans le mode HR (Home Routed), le mobile obtient une adresse IP fournie par le HPLMN et est vu comme une entité du réseau Home même si le point d’ancrage du trafic (SGW) appartient au réseau visité. Si l’adresse IPv4 attribuée est une adresse privée, l’entité PGW effectue la fonction NAPT (Network Address and Port Translation) consistant à traduire l’adresse IP et du numéro de port de TCP ou UDP du flux.

Lorsque l’entité PGW reçoit des données de l’entité SGW ou du réseau PDN, elle se réfère à l’identifiant de la classe de service QCI pour la mise en œuvre du mécanisme d’ordonnancement des données et pour le marquage DSCP des paquets IP.

L’entité PGW constitue le point d’ancrage pour la mobilité inter-SGW, lorsque le mobile change de groupe.

L’entité PGW héberge la fonction PCEF (Policy and Charging Enforcement Function) qui applique les règles relatives au trafic du mobile, concernant le filtrage des paquets, la taxation et la qualité de service à appliquer au support à construire.

L’entité PCRF (Policy Charging and Rules Function), extérieure au réseau EPS, fournit à la fonction PCEF de l’entité PGW les règles à appliquer lors de l’établissement du support.

L’entité PGW dérive le trafic du mobile dans le cadre des interceptions légales, pour les cas suivants :

  • le mobile est attaché sur son réseau nominal ;
  • le mobile est attaché sur un réseau visité, pour les deux types d’architecture, HR ou LBO (Local Breakout). Dans le cas de l’architecture LBO, le mobile UE est connecté au PGW du réseau visité alors que pour l’architecture HR, le mobile UE est connecté au PGW du réseau home.

1.1.5. L’entité HSS

L’entité HSS est une base de données assurant le stockage des données propres à chaque abonné. Les principales données stockées comprennent les identités de l’abonné, les paramètres d’authentification et le profil de service.

Lors de la souscription au réseau EPS, le mobile se voit attribuer une identité privée IMSI (International Mobile Subscriber Identity) à laquelle est associée un profil de service et une clé secrète Ki.

Lors de l’attachement, l’entité MME contacte l’entité HSS pour récupérer les valeurs d’authentification calculées au niveau du HSS à partir de la clé secrète Ki. Une fois authentifiée, l’entité HSS transmet le profil de service du mobile au MME et conserve l’adresse du MME sur lequel l’abonné (IMSI) est enregistré.

1.1.6. L’entité PCRF

Les opérateurs proposent différents abonnements pour l’accès aux services du réseau mobile. Afin de contrôler l’accès au réseau pour chaque client, il est nécessaire de contrôler l’usage du réseau et des services. L’entité PCRF permet de contrôler en temps réels l’usage du client par rapport à son abonnement et son forfait restant. Ainsi, en cas  de dépassement de forfait, le PCRF va imposer une règle pour réduire le débit (fair-use). De plus, dans le cadre de la VoLTE (Voix sur LTE),  l’opérateur doit mettre en place de la priorité de service.

La fonction PCC (Policy and Charging Control) définit les fonctions d’autorisation et de blocage des flux IP avec la QoS associée à chaque flux (policy)  et la méthode de taxation des flux IP (charging). L’entité PCRF fournit à la fonction PCEF, intégrée dans l’entité PGW, les informations nécessaires pour le contrôle et la taxation du trafic.

Ces informations sont stockées dans la base de données SPR (Subscription Profile Repository) lors de la création de l’abonnement.

Le contrôle du trafic comprend les opérations suivantes :

  • l’association entre un flux de données de service SDF (Service Data Flow) et un support EPS (EPS bearer) ;
  • le blocage ou l’autorisation des paquets IP ;
  • l’attribution du paramètre QCI au support EPS.

L’entité PCEF exécute les règles fournies par l’entité PCRF, pour le contrôle des flux de trafic et la taxation. En situation d’itinérance (roaming) correspondant à l’architecture LBO, l’entité PCEF localisée dans le réseau visité demande les règles à l’entité V-PCRF (Visited-PCRF), qui les obtient de l’entité H-PCRF (Home-PCRF) du réseau nominal

La fonction PCEF peut rapporter à l’entité PCRF un changement d’état d’un flux de service comme dans le cas d’une perte de couverture radioélectrique du mobile.

L’entité PCRF peut recevoir une requête de session de la part de l’entité AF (Application Function) comme dans le cas de l’établissement d’une communication téléphonique ou visiophonique initialisée au niveau du réseau IMS (IP Multimedia Sub-system).

L’entité PCRF peut fournir à l’entité AF des informations concernant des événements se produisant dans le réseau mobile comme par exemple une perte de couverture radioélectrique du mobile.

 

 

Références

1 : Livre LTE-Advanced Pro

2: Documentation ZTE

 

E2E Network Slicing : le découpage du réseau de bout en bout (Partie 3)

Voici la troisième et dernière partie

E2E Network Slicing : le découpage du réseau de bout en bout (Partie 1)

E2E Network Slicing : le découpage du réseau de bout en bout (Partie 2)

IV) La virtualisation de l’accès radio

IV-1) Description des fonctionnalités de la station de base

Le découpage du réseau est une tranche de bout en bout comme le montre la figure 13.

Figure 13 : Le découpage du réseau de bout en bout.

Les fonctionnalités réseaux sont partagées au niveau du cœur de réseau (SNI CN) et de l’accès radioélectrique (SNI RAN). Nous allons maintenant nous intéresser au découpage sur l’infrastructure radioélectrique et à la gestion de ressources.

Une station de base 5G réalise les tâches suivantes :

  • fonction RRM pour la gestion de ressources radioélectriques : Contrôle du support radioélectrique, contrôle d’admission radioélectrique, contrôle de la mobilité pour les mobiles connectés, allocation dynamique des ressources radioélectriques dans le sens montant et descendant (ordonnancement) ;
  • compression d’entêtes IP, chiffrement et intégrité des données ;
  • sélection de la fonction AMF lors de l’attachement du mobile ;
  • routage des données du plan de transport dans un tunnel ;
  • routage des informations de signalisation vers la fonction AMF ;
  • établissement et libération de la connexion ;
  • mesures radioélectriques et configuration du rapport de mesures demandé au mobile ;
  • ordonnancement et transmission des informations de diffusions SIB (System Information Block);
  • marquage des paquets dans le sens montant (étiquettes DSCP) ;
  • gestion des sessions ;
  • support du découpage en tranche de réseaux ;
  • gestion de la QoS et correspondance entre les flux IP provenant du plan de transport UPF en support radioélectrique ;
  • partage de l’accès radioélectrique ;
  • gestion de la double connectivité ;
  • interfonctionnement entre les fonctions 5G-NR et 4G-LTE.

Pour réaliser ces tâches, la station de base s’appuie sur la pile protocolaire présentée sur la figure 14. La station de base 5G peut également se décomposer en deux unités : une unité centralisée gNB-CU et une unité distribuée gNB-DU).

Figure 14 : Présentation de la pile protocolaire de la station de base 5G

La spécification 3GPP propose le découpage du plan de contrôle (RRC) et du plan de trafic IP (SDAP). La signalisation et les données sont gérées par la couche de niveau 2 décomposée en trois sous-couches : PDCP, RLC, MAC et par la couche physique.

La couche physique réalise la modulation et la démodulation de données des signaux sur l’interface radioélectriques.

Le rôle de la sous-couche MAC est de faire :

  • la correspondance entre les canaux logiques et les canaux de transport ;
  • le multiplexage/démultiplexage des unités de données MAC SDU en provenance d’un canal logique ou de plusieurs canaux de transport (TB) ou de plusieurs canaux de transport à destination des canaux logiques ;
  • la correction d’erreur rapide HARQ ;
  • la gestion de priorité entre les mobiles ;
  • la gestion de priorité sur les canaux logiques pour un mobile.

Le rôle de la sous-couche RLC est de faire :

  • le transfert des paquets PDU issu de la couche supérieure ;
  • une numérotation des séquences RLC pour le mode sans acquittement UM et avec acquittement AM;
  • la correction d’erreur ;
  • la segmentation/re-segmentation des données ;
  • la détection d’erreur (pour le mode AM).

Le rôle de la sous-couche PDCP est de faire pour le plan utilisateur :

  • la numérotation de séquence ;
  • la compression et décompression d’entête ;
  • le transfert des données ;
  • la détection des paquets dupliqués et la mise en ordre ;
  • le routage des bearer PDCP PDU dans le cas de la double connectivité ;
  • le chiffrement/déchiffrement et la protection d’intégrité;
  • le rétablissement des données PDCP et la récupération des données pour le mode RLC ;
  • la duplication des paquets PDCP PDU.

Le rôle de la sous-couche SDAP est :

  • la correspondance entre la QoS d’un flux IP et le support radioélectrique ;
  • le marquage de l’identité de la QoS sur les paquets UL.

Le partage de la station de base gNB en deux unités gNB-DU et gNB-CU est spécifié par le standard 3GPP lequel propose différentes options. Toutefois actuellement le gNB reste mono-constructeur même en cas de découpage en deux sous unités gNB-CU et gNB-DU.

Les différentes options sont proposées sur la figure 15 :

Figure 15 : Le découpage des fonctions du gNB

A titre d’exemple, on pourrait imaginer le découpage suivant :

Figure 16 : Un découpage du gNB

Actuellement (standard R.15) l’unité gNB-CU est composée de la sous-couche RRC/SDAP et PDCP, l’unité gNB-DU est composée des sous-couches RLC et MAC et physique. Mais les autres partages de fonctions décrites sur la figure 11 peuvent virtuellement être mise en œuvre.

La couche physique a pour rôle de transférer le signal issu de la couche MAC (le bloc de transport) en un signal RF et inversement récupérer un signal RF pour l’envoyer vers la couche MAC.

La couche physique se compose de plusieurs fonctions :

  • code détecteur d’erreurs CRC ;
  • code correcteur d’erreur et adaptation de débit ;
  • embrouillage ;
  • modulation ;
  • affectation des symboles par sous-couches antennaires ;
  • précodage numérique ;
  • affectation des signaux et canaux sur chaque élément de ressources ;
  • transformée de Fourier Discrète et insertion d’un préfixe cyclique ;
  • chaîne RF (convertisseur CNA, conversion RF, amplification).

Les signal RF est envoyé à l’antenne.

La tête radioélectrique déportée (RRH) correspond à la chaîne RF. Pour la 4G, l’entité eNB se composait de deux parties : BBU et RRH. Cette option est maintenue pour la 5G (option 8) toutefois, le débit du bus série CPRI (Common Public Radio Interface) qui transporte les symboles I/Q est d’autant plus élevé que :

  • la bande de fréquence est importante (cellule principale et secondaire en cas d’agrégation de porteuses) ;
  • le nombre d’antennes est élevé (FD-MIMO ou Massive MIMO).

Pour réduire le débit entre le gNB-DU et la tête radioélectrique déportée, il est également prévu de proposer un découpage au niveau de la couche physique différent (figure 17) :

Figure 17 : Les options de décomposition de la station de base gNB

Le transport des données sur les interfaces optionnelles est normalisé par le protocole eCPRI  (evolved Common Public Radio Interface) et est véhiculé sur une fibre optique.

La gestion des ressources radioélectrique (protocole RRM) est réalisée par la station de base gNB. La gestion des ressources radioélectrique a pour objectif :

  • de gérer le spectre de fréquence : cette fonction décide comment les ressources spectrales sont réparties en porteuses 5G-NR et comment ces porteuses sont allouées aux différents site;
  • de gérer l’interférences entre cellules (mécanisme ICIC). Dans la continuité de la gestion du spectre, le mécanisme ICIC impose une puissance limitée sur un ensemble de sous-porteuses afin d’éviter les interférences avec un point de transmission voisin utilisant les mêmes sous-porteuses ;
  • d’ordonnancer les paquets : cette fonction décide, pour chaque porteuse 5G-NR affectée à une cellule, quelles sont les ressources bloc (RB) disponibles pour transférer les paquets sur chaque bearer radioélectrique établi ;
  • de réaliser les fonctions liées à la prise en charge radioélectrique tels que le contrôle de bearer, le contrôle d’admission radioélectrique, le contrôle de la mobilité (lorsque le mobile est en mode connecté).

L’implémentation logicielle de la partie RRM n’est pas du ressort de la 3GPP, c’est pour cela qu’il n’est pas envisageable d’avoir une unité gNB-CU et gNB-DU de deux équipementiers différents.

IV-2) La virtualisation de la station de base : C-RAN

Le point de départ consiste à respecter le contrat SLA et d’apporter la QoE défini par le contrat. Ce contrat peut concerner la QoS pour un utilisateur. Toutefois, la virtualisation et l’isolation des slices permet à l’opérateur de louer les services de la station de base à des opérateurs virtuels ou à des entreprises.

Pour des entreprises privées, cela revient à mettre en place un DAS et la station de base est uniquement dédiée à l’entreprise.

Pour les opérateurs, il est possible de faire un partage de l’accès radioélectrique (Shared RAN) connecté directement au cœur réseau des différents opérateurs (MOCN : Multi-operator Core Network).

Jusqu’à présent, les stations de base étaient des entités physiques (PNF) installées au niveau de l’antenne. Ainsi, la gestion du spectre (contrôle d’admission, séquencement), la gestion des acquittements (HARQ/ARQ), le chiffrement étaient réalisés localement.

Dans le cas où l’entité est physique (PNF) alors les ressources matérielles de la station de base (CPU/RAM/Carte réseaux) doivent gérer les différents services (eMBB/mMTC pour la 4G).

Le découpage de la station de base en deux unités permet de mieux allouer les ressources matérielles aux fonctions protocolaires de la station de base. Excepté la tête radioélectrique déportée, les fonctionnalités de la station de base gNB-CU et gNB-DU sont toutes virtualisables.

La virtualisation est demandée par le support opérationnel OSS/BSS qui utilise le gabarit NST du slice pour imposer à l’orchestrateur (MANO ou ONAP) de gérer le cycle de vie dans l’instance virtuelle.

L’alliance O-RAN  portée par les opérateurs propose une normalisation (figure 18) sur la gestion du slice RAN. L’orchestrateur dispose d’un contrôleur SDN nommé RIC non-RT (RAN Intelligent Controller non Real Time) permettant de configurer le déploiement, la mise en échelle ou le relâchement de la sous-instance radioélectrique par un découplage du plan de contrôle et du plan utilisateur.

Figure 18 : Le fonctionnement du Cloud-RAN

La virtualisation du RAN est réalisée en suivant le protocole NFV de l’ETSI. Nous n’aborderons pas ici les solutions OpenSource existantes (OPNFV, OpenStack, QEMU, …).

Pour l’alliance O-RAN,

  • Le RIC non-RT a pour objectif le respect du SLA et de la supervision en gérant le déploiement, la mise à l’échelle ou la libération des sous-couches de virtualisations radioélectrique SNI.
  • Le contrôleur RIC near RT gère les ressources radioélectrique (fonctionnalités RRM) en proposant un découpage fonctionnel entre l’unité gNB-CU et les entités gNB-DU.

La configuration des gNB permet de définir la liste des services S-NSSAI supportés par le gNB par une procédure de configuration du paramétrage des stations de base (cf. figure 8). Cette phase de provisionning est gérée au moment de la création du slice radioélectrique (figure 19).

Figure 19 : La configuration des slices supportées par les gNB

Lorsque le gNB s’active, il informe la fonction AMF de l’ensemble des slices supportés avec la localisation TAC correspondante. Si la station de base est connectée à plusieurs fonctions AMF, alors elle transmet l’information à toutes les fonctions AMF. Chaque fonction AMF l’informe en retour des services S-NSSAIs supportés par la fonction AMF.

Au niveau du gNB, le découpage entre le gNB-DU et le gNB-CU est ordonné au niveau du contrôleur RIC-near RT. Un descripteur de slice permet de définir les fonctions gérées au niveau de chaque unité (gNB-CU et gNB-DU).

Une entité gNB peut supporter plusieurs slices. Le découpage entre gNB-CU et le gNB-DU est identique pour chaque slice par contre les fonctions utilisées sur chaque sous-couches peuvent être communes ou spécifiques. Par exemple, il est possible de définir un slice pour les terminaux statiques et de désactiver la fonction handover pour ce slice.

Figure 20 : La mise en place de plusieurs slices au niveau d’un gNB

On définit ainsi le comportement attendu pour chaque sous-couche et lorsque le mobile fera une demande de connexion radioélectrique, le message RRC transmis du mobile à l’entité gNB-CU contiendra l’information S-NSSAI du slice demandé. Ainsi, lors de la connexion radioélectrique, l’entité gNB créera un context UE avec le numéro de slice correspondant (figure 21).

 

Figure 21 : L’identification du slice

IV-3) Exemple de C-RAN

L’objectif de la virtualisation consiste à répartir la charge sur différents serveurs en fonction de la QoE demandée.  Ainsi :

  • Pour les terminaux IoT, la station de base devant couvrir une superficie sur laquelle on peut avoir 1 million d’IoT par km2 (ce chiffre est la limite haute du standard), les ressources matérielles de la station de base peuvent rapidement saturer si, il y a un réveil en cascade des terminaux IoT, ou si plusieurs terminaux sont dans le mode RRC_Inactive, ou … Il est donc recommandé de déporter les fonctions suivantes vers un DataCenter (DC) :
    • contrôle RRC de chaque terminal IoT ;
    • chiffrement/déchiffrement ;
    • segmentation, contrôle d’erreur ARQ ;
    • multiplexage, contrôle d’erreur HARQ.

En contrepartie, le fait de déporter les calculs vers le DataCenter va avoir comme incidence d’augmenter la latence, ce qui n’a aucune importante pour les terminaux IoT HLCom (High Latency Communication). En effet, la QoS pour le service IoT n’est pas la latence mais la problématique est la gestion d’un nombre très élevé de terminaux (mMTC :massive MTC).

  • Pour les smartphones eMBB, la station de base doit offrir des services avec une latence d’environ 10 ms pour le plan de trafic et 100 ms pour le plan de transport. On peut donc envisager un découpage avec l’unité gNB-CU au niveau du point de présence (PoP) sur lequel l’opérateur déploie des lames de serveurs (mini Data Center nommé MEC – Multi-access Edge Computing). Ainsi :
    • l’entité gNB-CU gère la couche RRC/PDCP haute ;
    • l’entité gNB-DU au niveau de la station de base gère les sous-couches PDCP base, RLC, MAC et physique.
  • Pour les communications critiques (URLLC et V2X), afin de réduire la latence, tout le traitement du gNB s’effectue au niveau local (près de l’antenne).

Toutefois, le mobile n’est pris en charge que par une seule paire gNB-CU et gNB-DU, le choix du gNB-CU s’effectue par rapport aux paramétrages radioélectrique du mobile sur le module USIM (PLMN), c’est-à-dire par la sélection d’un PLMN.

La tranche de réseau par PLMN est identifiée par un indicateur de slice Slide ID NSSAI. Les slices gérés par le PLMN sont stockés au niveau du gNB-CU.

L’exemple (figure 22) ci-dessous est extraite de l’article [ferrus] :

Figure 22 : Déploiement 5G-NR

La figure présente 2 PLMN différents, PLMN#A et PLMN#B.

Le PLMN#A est géré par une entité gNB monolithique déployée sur un MEC du PoP #1 puisqu’on est sur une infrastructure légère (LW NFVI)

Le PLMN#B est géré par une unité gNB-CU qui est située sur le DC du PoP #2. L’unité gNB-CU est connectée à deux unités gNB-DU, une située sur le MEC PoP#1 et l’autre sur le MEC #PoP3.

Lorsque le mobile s’allume, il cherche le PLMN correspondant, soit le PLMN#A soit PLMN#B.

On peut supposer que le PLMN#A est dédié pour l’IoT sur une bande de fréquences à 700 MHz (@RF Carrier#1), la zone de couverture est étendue (NR Cell#1). Lorsque le terminal s’allume, il scanne une fréquence basse et cherche le PLMN #A. Une fois synchronisé, il fait une demande de connexion radioélectrique avec le gNB#1.

Le PLMN#B exploite une bande de fréquence @RF Carrier#2 sur deux cellules NR Cell#2 et NR Cell#3. Lorsque le smartphone s’allume, il scanne la bande de fréquences et une fois synchronisée il fait une demande de connexion auprès du gNB-CU. Selon sa position, il fait la demande auprès du gNB-DU du PoP#1 ou du PoP#3.

Conclusion

Le découpage du réseau en tranche est constitué de deux sous instances virtuelles (NSI), une sous-instance au niveau du cœur de réseau et une sous-instance au niveau de l’accès radioélectrique.

Le mobile est enregistré sur une seule fonction AMF mais peut activer plusieurs slice simultanément. Au niveau accès radioélectrique, le mobile est géré par un unique gNB.

La figure 23 est issue d’une documentation NoKia et réprésente le découpage du réseau 5G.

La figure 24 est issu d’une documentation Samsung et réprésente le découpage du réseau, l’orchestration de bout en bout. Ce document reprend donc l’ensemble des fonctionnalités et le découpage du réseau décrit dans cet article.

Figure 23 : Un découpage de réseau de bout en bout [Nokia]

Figure 24: Un découpage de réseau de bout en bout [Samsung]

References :

Liens 3GPP :

3GPP TS 28.530 V16.1.0 : Management and orchestration; Concepts, use cases and requirements

3GPP TS 38.300 : NR; NR and NG-RAN Overall Description; Stage 2, Release 16

  • http://www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/38_series/38.300/38300-g10.zip

3GPP TS 23.501 V16.1.0 : System architecture for the 5G System (5GS); Stage 2, Release 16

3GPP TS 29.510 V15.1.0 : 5G System; Network function repository services; Stage 3, Release 15

3GPP TS 29.531 V15.1.0 : 5G System; Network Slice Selection Services; Stage 3, Release 15

3GPP TS 28.500 : Management concept, architecture and requirements for mobile networks that include virtualized network functions, Release 15

3GPP TS 24.501 : Non-Access-Stratum (NAS) protocol  for 5G System (5GS); Stage 3;             (Release 16)

  • http://www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/24_series/24.501/24501-g41.zip

3GPP TS 21.915 : Release Description ; Release 15

 

ETSI

Article

[ferrus] R. Ferrús, O. Sallent, J. Pérez-Romero, R. Agustí , « Management of Network Slicing in 5G Radio Access Networks: Functional Framework and Information Models ».

https://www.opennetworking.org/images/stories/downloads/sdn-resources/technical-reports/onf2015.310_Architectural_comparison.08-2.pdf

Equipementiers

  • Huawei : 5G Network Slicing for Vertical Industries
  • Huawei : 5G Network Slicing for Cross Industry Digitization Position Paper
  • Nokia : Network Slicing in 5GS E2E
  • Samsung

 

https://www.huawei.com/minisite/5g/img/gsa-5g-network-slicing-for-vertical-industries.pdf

http://www-file.huawei.com/-/media/CORPORATE/PDF/white%20paper/5G-Network-Slicing-for-Cross-Industry-Digitization-Position-Paper.pdf

Figure 13 : https://www.5g-ks.org/pdf/Network_Slicing_in_5GS-E2E_View-Nokia.pdf

Figure 23 : https://www.5g-ks.org/pdf/Network_Slicing_in_5GS-E2E_View-Nokia.pdf

Figure 24 : https://images.samsung.com/is/content/samsung/p5/global/business/networks/insights/white-paper/network-slicing/200420_Samsung_Network_Slicing_Final.pdf

E2E Network Slicing : le découpage du réseau de bout en bout (Partie 2)

[bws_captcha]Cet article est la suite de :

« E2E Network Slicing : le découpage du réseau de bout en bout (Partie 1)

III) La virtualisation du cœur de réseau

Les entités du cœur de réseau AMF, SMF, NEF, PCF sont des fonctions qui peuvent être virtualisées. Ces fonctions gèrent le plan de contrôle du réseau de mobiles et les performances fonctionnelles sont analysées au niveau du support opérationnel OSS (FCAPS).

L’entité UPF peut également être virtualisée, cette fonction gère le plan utilisateur. La fonction UPF possède des capacités d’aiguillage de trafic à partir de la classification de flux UL-CL (Uplink Classifier). Ainsi, la fonction UPF peut avoir le rôle de point de branchement (multi-homing), point d’ancrage de session (PSA : PDU Session Anchor) ou classificateur de flux pour définir le prochain saut. La classification de flux est une fonctionnalité supportée par la fonction UPF afin de diriger le trafic localement en fonction des filtres appliqués au trafic UE.

Le contrôle des fonctions virtuelles dans le cœur de réseau 5G est réalisé par deux fonctions nommées NSSF (Network Slice Selection Function) et NRF (Network Repository Function).

  • Le rôle du NSSF est de sélectionner le jeu de tranches réseau que l’utilisateur va pouvoir utiliser en fonction de son contrat d’abonnement (SLA) pour lui apporter la QoE (Quality of Experience) souhaitée. Le choix du slice se faisant au moment de l’enregistrement du mobile, la fonction NSSF dialogue avec la fonction AMF ou la fonction NSSF d’un autre PLMN.
  • Le rôle du NRF est de fournir un contrôle des fonctions virtuelles (NF) et des services proposés par les fonctions virtuelles.
    • La fonction NRF est un catalogue qui est mis à jour au moment de l’activation de la fonction virtuelle (enregistrement) et mis à jour lorsque la fonction virtuelle est redimensionnée. Elle propose ainsi un service de découverte de fonctions virtuelles
    • Toute fonction virtuelle NF peut demander à la fonction NRF, par une procédure de souscription, d’être informée dès qu’une nouvelle instance est créée.

Figure 5 : Inscription d’une fonction virtuelle au niveau de la fonction NRF (TS 29.510)

Une sous-instance virtuelle est composée au minimum de fonctions AMF, SMF, PCF, NRF. L’opérateur (OSS) met en place un ou plusieurs sous réseaux virtuels SNI et peut à tout moment activer ou désactiver un sous-réseau (procédure NSI figure 3). Chaque fonction activée vient se déclarer auprès de la fonction NRF (figure 5).

Une instance de réseau permet de gérer un type de service. Le type de service est défini par la variable S-NSSAI. Le S-NSSAI contient 2 champs :

  • SST sur 8 bits défini le type de slice (Slice Service Type)
    • SST = 1 : eMBB (normalisée 3GPP) ;
    • SST = 2 : URLLC (normalisée 3GPP) ;
    • SST = 3 : mMTC (normalisée 3GPP) ;
    • SST = 4 : V2X (normalisée 3GPP) ;
    • SST de 128 à 255 sont définis par l’opérateur.
  • SD (Slice Differentiator) est une information optionnelle qui permet de décliner plusieurs types de sous-service dans une catégorie SST donnée afin de différencier les clients.

La fonction NSSF permet d’identifier les NSI. Cette fonction est configurable via une API REST.

Voici un exemple de configuration de la fonction NSSF :

https://host:port/v1/nssf/configurations/nsiprofiles
POST
Content-Type: application/json
BODY
{
    « name »: « NSI001 »,
    « nrfUri »: « https://nrf.bloglaunay.com »,
    « nsiId »: « 1 »,
    « targetAmfSets »:
    [
        {
            « regionId »: « 01 »,
            « setId »: « 001 »,
            « setFqdn »: « set001.region01.amfset.5gc.mnc111.mcc208.3gppnetwork.org »
        },
        {
            « regionId »: « 01 »,
            « setId »: « 002 »,
            « setFqdn »: « set002.region01.amfset.5gc.mnc111.mcc208.3gppnetwork.org »
        }
    ]
}

Pour être plus complet, la configuration de la fonction NSSF permet aussi de diriger le choix de la fonction NRF en fonction du NSSAI demandé.

D’un point de vue opérateur : Lorsqu’une tranche de réseau est mise en œuvre, la fonction AMF peut toujours mettre à jour la configuration S-NSSAI de la fonction NSSF afin d’informer celle-ci des types de service supportés par la fonction AMF sur une zone de localisation TA.

Une fonction AMF peut gérer plusieurs tranches de réseaux S-NSSAI (il n’y a pas de limite fixée au niveau du cœur de réseau).

Figure 6 : La mise à jour de la fonction NSSF

L’entité NSSF sélectionne le (ou les) instances de réseau NSI correspondant(s) à la demande du mobile à partir du (ou de la liste des) S-NSSAI et détermine ainsi les fonctions AMF candidates correspondant spécifiquement (ou au mieux) à la demande de l’UE. Eventuellement, l’entité NSSF interroge la base de données NRF (Network Repository Function).

Figure 7 : Procédure d’enregistrement et sélection du NSI

L’entité NSSF renvoie à la fonction AMF qui l’a interrogée, la valeur NSSAI autorisée sur la zone TA et la liste des fonctions AMF candidates (figure 7).

Lorsque la station de base s’active (mise en route ou suite à une procédure de ré-initialisation), elle interroge les fonctions AMF pour connaître les tranches de réseaux (slices) supportées par chaque fonction AMF accessible comme le montre la figure 8.

 

Figure 8 : La déclaration des slices supportées par les fonctions AMF auprès de l’entité gNB

Si la station de base gNB était déjà en fonctionnement, alors elle est informée des modifications NSSAI apportées au niveau de la fonction AMF via le message NG Setup request (figure 9).

Figure 9 : La mise à jour des slices supportées par les fonctions AMF auprès de l’entité gNB

Lorsque le mobile s’active, il réalise une procédure d’attachement auprès d’une fonction AMF. L’attachement se fait sur une fonction AMF parmi toutes les fonctions AMF qui ont été activées par le support opérationnel OSS et accessible par la station de base gNB.

La sélection de l’entité AMF est réalisée au moment de la procédure d’attachement. Le choix est effectué à partir de l’identifiant NSSAI émis dans la requête NAS REGISTER. La station de base gNB reçoit la requête RRC qui porte le message NAS et l’indicateur NSSAI à partir duquel il sélectionne une fonction AMF. Si plusieurs fonctions AMF candidates peuvent être choisies (cf figure 8), la station de base gNB fait son choix par équilibrage de charge.

La fonction AMF sélectionnée par l’entité gNB interroge la base de données UDM pour vérifier que l’indicateur NSSAI demandé par le terminal (requested NSSAI) est accepté. L’entité UDM transmet à la fonction AMF le NSSAI autorisé pour ce client (allowed NSSAI). A partir de ce moment, la fonction AMF consulte la fonction NSSF (Network Slicing Selection Function) à partir d’une requête GET en indiquant la liste des S-NSSAI autorisés.

Si après consultation de la fonction NSSF, la fonction AMF sélectionnée initialement (appelée AMF source) par la station de base n’est pas appropriée pour les services demandés (NSSAI), alors la fonction AMF source réalise la procédure de ré-allocation de la fonction AMF.

Concernant la ré-allocation (lors de la procédure d’attachement), deux options sont possibles :

Dans le cas de l’option A (figure 10), en fonction des informations de souscription et de politique locale, la fonction AMF source décide d’envoyer la requête initiale vers la fonction AMF cible via le message Namf_Communication_N1MessageNotify portant le message NG-RAN Reroute Message.

Cependant, comme il ne peut y avoir qu’un seul point de terminaison N2 entre l’entité gNB et la fonction AMF pour un UE donné, la fonction AMF cible met à jour le point de terminaison auprès du gNB via le message NG AMF Configuration Update.

 

Figure 10 : Procédure de ré-allocation de la fonction AMF pour la gestion des transches de réseau du mobile UE : Option A

Dans le cas de l’option B (figure 11), en fonction des informations de souscriptions et de politique locale, la fonction AMF source décide d’envoyer le message NGAP Reroute NAS Message à l’entité gNB afin que celle-ci formule une nouvelle requête d’attachement vers la fonction AMF cible.

Figure 11 : Procédure de ré-allocation de la fonction AMF pour la gestion des tranches de réseau du mobile UE : Option B

Au niveau du cœur de réseau, le mobile s’enregistre sur une seule fonction AMF.

Le mobile peut demander à profiter de plusieurs tranches de réseaux (figure 12), les fonctions AMF, NSSF font parties des fonctions communes à toutes les tranches. Les fonctions PCF et NRF peuvent être communes ou spécifiques à une tranche de réseau.

Pour que le mobile puisse recevoir ou émettre des données, il faut mettre en place une session PDU. La session PDU est contrôlée par la fonction SMF, avec des règles PCF spécifiques.

Figure 12 : Les tranches de réseaux : Fonctions communes et spécifiques.

Il est aussi possible d’ajouter des fonctionnalités supplémentaires comme imposer la direction de trafic (trafic steering) en sortie du réseau de mobiles Gi-LAN afin d’apporter des services comme de l’optimisation vidéo, optimisation http, un cache CDN, un cache de réalité virtuelle, un détecteur de malware, une fonction parentale, un parefeu, …

Au niveau du mobile, le mobile fait une demande d’enregistrement auprès du cœur de réseau. Le mobile indique dans sa requête NAS les tranches de réseaux souhaitées (Requested NSSAI). Le requested NSSAI correspond soit au NSSAI configuré pour le PLMN (configured NSSAI), soit au NSSAI autorisé pour le PLMN (allowed NSSAI). Ce dernier (allowed NSSAI) a été récupéré lors d’un précédent enregistrement. Si le mobile n’a aucun NSSAI configuré pour le PLMN sur lequel il s’enregistre, alors il transmet l’information NSSAI configurée par défaut (Default configured NSSAI).

L’information NSSAI est configurée sur la mémoire non volatile du mobile. Il ne revient pas au standard 3GPP d’indiquer où est stockée cette information mais aux fabricants de terminaux. Le mobile peut contenir plusieurs informations NSSAI, chaque NSSAI est couplée à l’identifiant SUPI et est identifiée par le PLMN ID (cf. TS 24.501). Si on change l’identifiant SUPI, les informations NSSAI sont supprimées de la mémoire du terminal.

Dans le cas des smartphones, l’information NSSAI est configurée par défaut (Default configured NSSAI).

Dans le cas des terminaux IoT et URLCC, l’information NSSAI devrait être provisionnée afin de limiter l’impact de charge au niveau de la fonction AMF grand public lorsque les terminaux IoT s’allumeront.

Le mobile doit stocker les informations S-NSSAI du HPLMN. Si le mobile est enregistré sur un réseau visité VPLMN, le mobile doit aussi sauvegarder le NSSAI configuré pour ce VPLMN et doit faire la correspondance avec les S-NSSAI qu’il peut exploiter sur le réseau HPLMN. Le mapped NSSAI est utilisé en roaming pour faire la correspondance entre un S-NSSAI spécifique (128 à 255) du réseau H-PLMN et le S-NSSAI correspondant dans le VPLMN.

Lorsque le mobile demande l’établissement d’une session PDU, il transmet dans le message NAS l’information S-NSSAI souhaitée et des règles URSP (UE Route Selection Policy).

 

Le dernier paragraphe sera traité dans un autre article.

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

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

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

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

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

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

  1. Introduction

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

3) La procédure de connexion radioélectrique 4G

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

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

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

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

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

 

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

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

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

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

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

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

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

 

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

5) La procédure de connexion radioélectrique 5G

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

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

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

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

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

 

6) Conclusion

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

Massive MIMO : Fonctionnement (Troisième Article)

Voici le troisième article sur le déploiement du Massive MIMO.

Se référer aux articles précédents :

Massive MIMO : Définition (Première Partie)

Massive MIMO : Description de l’antenne (Deuxième partie)

La spécification pour le LTE définit 8 modes de transmission, le LTE-Advanced en défini 10 et un onzième mode est rajouté dans la release R.11. A part le mode TM1 qui ne nécessite qu’une seule antenne en émission et en réception, les autres modes permettent :

  • d’apporter une meilleure robustesse du canal par de la diversité en émission ou par la gestion de faisceau ;
  • d’améliorer la capacité par une transmission MIMO. Dans le cas du MIMO, le nombre de couches MIMO dépend du nombre de transmission décorrélées entre l’émetteur et le récepteur. Soit H la matrice du canal de propagation, le rang du canal correspond au nombre de couches MIMO possible.

Il est donc nécessaire d’avoir une antenne avec une colonne d’éléments rayonnants, la polarisation cross-polaire permet de doubler la diversité.

Une antenne est alors configurée par :

  • un seul élément rayonnant ;
  • deux éléments rayonnant en cross-polaire ;
  • une colonne d’élément rayonnant (avec une seule ou deux polarisation) ;
  • de plusieurs colonnes, chaque colonne contient plusieurs éléments rayonnants (en nombre égal).

Dans le cas des antennes actives, plusieurs AE sont regroupés dans un TRX, et

On définit les caractéristiques de l’antenne par une lettre A à I :

Figure 14 : La configuration des antennes (extrait livre : « LTE-Advanced Pro, Une étape vers le réseau de mobiles 5G », LAUNAY, PEREZ)

Les modes de transmissions nécessitent une configuration d’antenne :

  • TM1 : SISO n’utilise qu’une seule colonne et une seule polarité
  • TM2 : Diversité en transmission nécessite 2 ou 4 colonnes d’éléments rayonnants. Elle peut donc utiliser la configuration d’antenne D (une colonne de polarisation +/- 45°), E, F, H ou I. Avec deux colonnes, le codage utilisé est le code d’Alamouti SFBC (Space Frequency Block Codes), avec 4 colonnes on rajoute de la diversité temporelle FSTD (Frequency Shift Time Diversity).
  • TM3 : SU-MIMO en boucle ouverte avec diversité CDD (Cyclic Delay Diversity) nécessite 2 ou 4 colonnes d’éléments rayonnants. Elle peut donc utiliser la configuration d’antenne B, D (une colonne de polarisation +/- 45°), E, F, H ou I.
  • TM4 : SU-MIMO en boucle fermée avec la configuration d’antennes B,D,E,F,H ou I
  • TM5 : MU-MIMO avec la configuration d’antennes B,C,E,F,H.
  • TM6 : Multiplexage spatiale pour la formation de faisceau avec la configuration d’antennes B,C,E,G (plusieurs colonnes) par précodage numérique (PMI)
  • TM7 : Multiplexage spatial pour la formation de faisceau et MIMO dans une direction donnée en exploitant l’angle d’arrivée (AoA) ou direction à l’arrivé (DoA). Le mobile ne distingue plus une antenne physique comme dans les modes précédents mais une antenne virtuelle (cf. figure 4) en s’appuyant sur des éléments rayonnants à égales distances (ULA : Uniform Linear Array) dont la distance est inférieure à lambda/2 (lambda est la longueur d’onde). Ce mode nécessite la configuration d’antennes B,C,E,G.
  • TM8 : Introduit dans la R.9, le mode TM8 est similaire au TM7 avec deux couches.
  • TM9 : SU-MIMO et MU-MIMO à 8 couches.

Pour le mode TM7, la spécification 3GPP introduit la notion d’antenne virtuelle AP5 : le terminal ne voit qu’une seule antenne virtuelle mais l’orientation numérique du faisceau est obtenue en apportant un déphasage et un gain constant sur chacune des antennes physiques. Une antenne physique est nommée dans cet article par antenne individuelle : le même signal est transmis sur 4 TRX avec une pondération différente, chaque TRX est connecté à une antenne individuelle.

Figure 15 : La connexion de l’antenne virtuelle et physique

Le standard 3GPP introduit la notion de port d’antenne, qui une nouvelle fois peut apporter de la confusion. Un port d’antenne est un port logique.

Tableau 1 : Les ports d’antenne pour la 4G

Comme l’indique la table 1, les signaux de références correspondent à un numéro de port d’antenne. Les ports d’antennes correspondants au UE Specific RS sont utilisés pour la formation du faisceau (obligatoirement supporté en mode TDD et optionnel en mode FDD).

Les signaux de références sont référencés à un numéro de port d’antenne, mais plusieurs ports d’antennes différents transmettent le signal vers la même antenne individuelle (antenne physique) ou transmis vers plusieurs antennes individuelles. La station de base gère la correspondance entre un port d’antenne et l’antenne individuelle.

Dans le cas de la formation d’un faisceau numérique (beamforming), le calcul des pondérations à effectuer sur chaque antennes individuelle (nommé aussi poids) est réalisé par la station de base en s’appuyant sur le rapport de retour d’état du canal 4G (CSI à partir des signaux de références) ou à partir des signaux de références sur le lien montant.

II-2) Les signaux de références

Un signal de référence (CRS ou CSI-RS) est une séquence pseudo-aléatoire transmise sur chaque antenne individuelle. La séquence pseudo-aléatoire permet au récepteur de séparer les différentes séquences CSI-RS et d’estimer la qualité du signal reçu au niveau de chaque séquence de référence.

Le récepteur n’a pas besoin de connaître le nombre d’antennes individuelles de l’antenne MIMO (ou Massive MIMO, il doit savoir combien de signaux de référence il doit mesurer. Il retourne ainsi l’état du canal de propagation ayant affecté chaque signal de référence. Pour que cette information soit utile, il est nécessaire que les signaux de références soient décorrelées. Ainsi, chaque signal de référence doit être transmis sur une et une seule antenne individuelle.

Dans le cas du LTE (R8, R9), le MIMO était limité à 4 antennes. L’exploitation de 4 signaux de références CRS suffit.

Si la release 10 augmente à 8 signaux de références CSI-RS, il est nécessaire de monter à 16 (R.13) puis 32 (R.14) signaux de références CSI-RS pour augmenter le nombre de chaîne de transmission TRX. Mais cela reste insuffisant pour fonctionner avec une antenne massive-MIMO 64T64R sauf si l’on transmet deux séquences CSI-RS sur deux antennes individuelles dont la polarisation est croisée (il s’agit ici d’une hypothèse, je n’ai aucune certitude sur ce point.)

Pour lever cette limitation, dans le cas LTE-FDD la station de base utilise la combinaison des signaux SRS et CSI-RS. Le signal SRS est le signal de référence émis par le terminal mobile vers la station de base. Ainsi dans le cas de la 4G TDD, il est plus efficace d’exploiter l’estimation du canal sur le lien montant.

Pour les modes TM7 et TM8 en 4G, la station de base utilise les signaux de références UE-RS. Pour la station de base 5G, la station de base s’appuie sur le signal de référence SRS du lien montant.

Dans le cas de la 5G à 3,5 GHz, les signaux de références du lien montant SRS suffisent à la station de base pour estimer la formation du faisceau.

Toutefois, le nombre de signaux de références CSI-RS étant limité, la 5G NR en mode FDD s’appuie sur deux méthodes :

  • Reciprocity based CSI : Il s’agit d’estimer le signal de référence CSI-RS à partir des signaux SRS
  • Closed Loop : Le terminal UE envoie à la station de base les informations du canal CSI

II-3) Le mode de transmission Massive MIMO en 5G

Pour améliorer les performances de la méthode Closed Loop, l’accès initial propose une commutation des faisceaux (beam switch transmission procedure) en utilisant différent blocs SSB. Au niveau de l’antenne, un réseau de calibration est nécessaire pour pointer dans la bonne direction. Ainsi, le terminal UE détermine le bloc SSB et renvoie les informations du canal pour chaque faisceau reçu à la station de base gNB. Ensuite, des informations complémentaires peuvent être transmis selon le type de configuration choisi :

  • CSI TYPE 1 : Normal (PMI) feedback dans le cas du SU-MIMO donnant la direction du faisceau le plus important
  • CSI TYPE 2 : Enhanced (explicit or codebook based) dans le cas du MU-MIMO en apportant plus d’information de retour par le terminal à la station de base.

ANNEXE

Reference 1 :

https://www.5gamericas.org/wp-content/uploads/2019/07/MIMO_and_Smart_Antennas_July_2013_FINAL.pdf)

Référence 2 : Livre « LTE-Advanced Pro, Une étape vers le réseau de mobiles 5G », Launay F, Perez A

(https://www.amazon.fr/LTE-Advanced-Pro-Fr%C3%A9d%C3%A9ric-Launay/dp/1784055778)

Massive MIMO : Description de l’antenne (Deuxième partie)

Suite de l’article : Massive MIMO : Définition (Première Partie)

I-4) La structure d’une antenne

Sur l’exemple ci-dessous extrait du site 5GAmericas (Reference 1), l’antenne est simplement constituée d’une colonne d’éléments rayonnants. L’antenne est équipée de 4 connecteurs coaxiaux, chaque connecteur est relié à une chaîne radio RF. Parmi ces 4 connecteurs, deux connecteurs permettent de fonctionner sur deux bandes différentes, et deux connecteurs sont utilisés pour l’exploitation de la polarisation cross-polaire (+/- 45°).

Figure 8 : Antenne 4G

Sur le schéma on observe 18 éléments rayonnants (Antenna Element), 10 éléments rayonnant sont conçus pour fonctionner dans une bande de fréquence avec une polarisation +/-45°, les 8 autres pour une autre bande de fréquence avec une polarisation de +/- 45°.

Il s’agit néanmoins que d’une seule antenne composée d’une colonne d’éléments rayonnants cross-polaire (single cross polarized column). Un panneau d’antennes (pannel antenna) représente un ensemble d’éléments rayonnants (AE) régulièrement espacés (Linear arrays).

Un circuit de connexion (feed network) réparti les signaux des connecteurs de la chaîne RF vers les éléments rayonnants correspondants (figure 8).

Figure 9 : Le circuit de connexion de l’antenne (feed circuit)

Pour reprendre les définitions précédentes : L’antenne dispose de 4 connecteurs TRX, deux connecteurs TRX fonctionnant sur une bande de fréquence, deux autres sur une autre bande.

Chaque antenne individuelle TRX se compose de 4 ou 5 éléments rayonnants. Chaque élément rayonnant fonctionnant sur une bande de fréquence et de même polarisation transmet donc le même signal RF. Si le déphasage apporté par le circuit de connexion est figé (feed circuit), on apporte un gain RF non contrôlé en temps réel (pas de possibilité d’orienter le faisceau RF de manière analogique, on peut toujours réaliser du beamforming numérique dans une bande donnée à partir des 2 antennes individuelles cross-polaires). Il s’agit d’antenne passive.

Le tiltage électronique peut être réalisé de manière mécanique soit par le contrôle d’un moteur DC soit par le déphasage apporté au niveau du circuit de connexion (signal RET e-tilt sur la figure 8).

Le faisceau commuté (switch beam) est une avancée vers l’antenne intelligente. L’objectif est de sélectionner le meilleur faisceau en fonction des conditions radios. Dans le cas de la matrice de Butler 4T4R, les 4 antennes individuelles sont toutes connectées à 4 éléments rayonnants avec une combinaison sur le déphasage de manière à transmettre 4 faisceaux différents.

Figure 10 : La commutation de faisceau

Chaque signal en entrée (4 signaux RF) peut donc être transmis dans une direction donnée.

Couplage du MIMO et du BeamForming : Pour transmettre le signal radio dans une direction donnée (Beamforming), il faut transmettre le même flux sur plusieurs antennes individuelles. Dans le cas suivant, l’antenne MIMO est une antenne 8T8R car elle est connectée à 8 chaînes radio RF. Chaque antenne individuelle est connectée à une colonne d’éléments rayonnant dans une polarisation donnée. La figure 11 montre 4 colonnes cross-polaires.

La directivité de l’onde nécessitant l’utilisation de plusieurs antennes individuelles de même polarisation, il est donc possible de générer deux ondes directives (nommés BeamForming BF1, BF2) à partir d’un poids de pondération à appliquer sur chaque antenne individuelle.

Il est donc possible :

  • de transmettre 8 flux identiques pour un seul utilisateur en exploitant les 8 antennes individuelles, dans ce cas on a un faisceau étroit et directif ;
  • ou de réaliser 4 flux MIMO pour augmenter la capacité et le ressenti utilisateur.

Figure 11 : L’antenne MIMO 8T8R

I-4) L’évolution vers le FD-MIMO.

Jusqu’à présent, la directivité de l’onde en élévation (vertical) était réalisée par un tiltage électronique (RET) lors du placement de l’antenne et cette configuration figeait la directivité dans la cellule.

Avec la technique FD-MIMO, il est possible de diriger le faisceau en élévation et en azimuth par l’exploitation d’un réseau d’antennes rectangulaires (ULA 2D) en temps réel.

Figure 12 : L’antenne ULA 2D

A partir de l’angle des signaux d’arrivé et d’un DSP intégré, l’antenne devient intelligente et peut contrôler la phase pour orienter le faisceau RF, on parle d’antenne active :

Figure 13 : Contrôle de la phase appliquée sur chaque AE de l’antenne individuelle

Les antennes Massive MIMO sont des antennes actives. La puissance de transmission  de l’antenne peut monter jusqu’à 120 W pour 128 AE et 180 W pour 192 AE lorsque tous les éléments rayonnants émettent à puissance maximales. La consommation électrique est bien supérieure, je n’ai pas les chiffres à ce jour.

 

Massive MIMO : Définition (Première Partie)

Je vous propose une série de 3 articles pour comprendre le massive MIMO. Je me suis appuyé sur les documents :

  • 3GPP;
  • 5G América;
  • et les informations des équipementiers comme Nokia, Ericsson et Huawei.

Cependant,malgré quelques réponses de Emil Björson (https://ma-mimo.ellintech.se/author/eb/) , et de Jakob Hoydis (Nokia), il y a une grande part d’interprétation. Je les remercie d’avoir pris le temps de me répondre.

N’hésitez donc pas à commenter ces articles pour améliorer le contenu, merci.

  1. Description générale du MIMO au Massive MIMO

I-1) Définition

La technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output) consiste à transmettre simultanément N flux d’informations sur N antennes d’émission (un flux d’information par antenne d’émission) et chaque flux est reçu par M antennes en réception.

Le flux transmis par antenne peut être :

  • un même flux avec un précodage pour :
    • améliorer la diversité en émission (se référer aux codes Alamouti SBFC) ;
    • diriger le flux dans une direction donnée (avec un précodage pour orienter le flux – beam RF) ;
  • des flux différents (K flux, K est inférieur ou égal à N) pour augmenter la capacité de la station de base et améliorer le ressenti utilisateur.

Figure 1 : Le principe du MIMO

La notion de faisceau porte à confusion. On fera donc la différence entre :

  • un faisceau RF (beam RF) transmis dans une direction donnée en utilisant plusieurs antennes qui transmettent toutes le même flux;
  • un faisceau MIMO (beam) qui utilise plusieurs antennes pour transmettre différents flux ;
  • un faisceau MIMO dans une direction donnée (un faisceau RF) : le faisceau MIMO est constitué de plusieurs faisceaux RF (plusieurs beam RF) pour transmettre les flux différents dans une direction donnée. A titre d’exemple, on peut utiliser 16 antennes pour faire du 4×4 MIMO dans une direction donnée.

La notion d’antenne porte aussi à confusion, on parle en effet d’une antenne MIMO pour évoquer en réalité un réseau d’antennes (antenna array) ou un système multi-antennes. Pour clarifier les éléments, dans cet article, on nomme antenne MIMO, un réseau d’antennes constitué de plusieurs antennes individuelles et chaque antenne individuelle peut être constituée d’un réseau d’éléments rayonnants.

On va donc poser les définitions suivantes :

  • un réseau d’antennes est un ensemble de plusieurs antennes individuelles pouvant fonctionner ensemble comme une seule antenne nommée antenne MIMO;
  • les antennes individuelles sont connectées à un seul récepteur ou émetteur nommé TRX ;
  • l’évolution des techniques d’intégration permettent d’intégrer plusieurs éléments d’antennes (nommé Antenna Element) par antenne individuelle.

Une antenne du radio cellulaire (2G/3G/4G) est composée d’un ensemble d’éléments rayonnants protégé par un radôme :

Figure 2 : Le Radôme

Un élément rayonnant est appelé élément d’antenne (AE : Antenna Element). L’élément rayonnant présente un diagramme de rayonnement de 180° :

Figure 3 : Le Diagramme de rayonnement d’un élément d’antenne

Le module TRX est le module permettant de passer du signal en bande de base vers le signal RF. Il est composé d’un émetteur et d’un récepteur. En émission, le signal RF est transmis du module TRX à l’antenne individuelle, en réception l’antenne individuelle transmet le signal au module TRX.

L’antenne individuelle est constituée d’un réseau d’éléments rayonnants AE.

L’antenne MIMO est composée d’un ou de plusieurs panneaux d’antennes individuelles.

Les éléments rayonnant peuvent être co-localisés ou distribués.

Il existe deux modèle de connexion :

  • une antenne individuelle est connectée à un seul TRX, on parle de modèle de partitionnement ;
  • une antenne individuelle est connectée à plusieurs TRX, on parle de modèle complet.

En général, les antennes individuelles sont connectées à un ensemble d’éléments d’antennes colocalisées ou distribuées (sous-panneau – subarray), on est donc sur un modèle de partitionnement.

Figure 4 : Le modèle de connexion des TRX aux éléments d’antennes

I-2) La formation du faisceau RF

Un émetteur MIMO est composé de plusieurs modules d’émissions (N TX) chaque chaîne de transmission radio TX est connectée à une antenne individuelle.

Un récepteur MIMO est composé de plusieurs modules de réception (M RX) chaque chaîne de réception radio RX est connectée à une antenne individuelle.

Dans le cas de l’antenne MIMO, la formation d’un faisceau RF (beam RF) est un ensemble de gain et de déphasage appliqué sur les TRX de l’antenne par un précodage numérique.  La formation du faisceau est donc réalisée à partir d’un sous-réseau d’antennes individuelles passives.

Dans le cas de l’antenne Massive MIMO, chaque TRX est constitué d’un ou plusieurs éléments rayonnants (AE). Le contrôle des éléments rayonnant apporte un gain supplémentaire dans une direction donnée grâce à un contrôle en amplitude et en phase du signal issu du TRX (beam analog steering). Il s’agit donc d’un sous-réseau actif d’antennes et on parle de système d’antennes actives (AAS : Active Antenna System).

Figure 5 : Le contrôle de la direction du faisceau dans le domaine analogique

Si les éléments d’antennes sont régulièrement espacés (ULA : Uniform linear Array), la direction d’arrivée de l’onde est estimée à partir de la différence de marche :

Figure 6 : Calcul de la différence de marche

Pour un signal de bande étroite, en appliquant le retard (la différence de marche) sur chaque élément d’antenne, le signal reçu est le suivant :

(Equation 1)

 

On peut également écrire sous forme vectorielle :


(Equation 2)

 

 

 

Avec a la direction du faisceau.

A l’inverse, en appliquant un déphasage sur chaque élément d’antenne rayonnant, il est possible d’orienter le faisceau (faible bande car la formule dépend de la longueur d’onde) dans une direction donnée (AoD : Angle of Departure).

La simulation sous Matlab se programme ainsi :

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% SIMPLE UNIFORM LINEAR ARRRAY
% WITH VARIABLE NUMBER OF ELEMENTS
% MATRIX IMPLEMENTATION
% COPYRIGHT RAYMAPS (C) 2018

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
clear all
close all

f=1e9;
c=3e8;
l=c/f;
d=l/2;

no_elements=4;
theta=0:pi/180:2*pi;

n=1:no_elements;
n=transpose(n);

A=(n-1)*(i*2*pi*d*cos(theta)/l);
X=exp(-A);
w=ones(1,no_elements);
r=w*X;

polar(theta,abs(r),'r')
title ('Gain of a Uniform Linear Array')


(source : http://www.raymaps.com/index.php/fundamentals-of-a-uniform-linear-array-ula/)

Figure 7 : Diagramme de rayonnement (angle et gain) en fonction du nombre d’éléments d’antenne

Le gain apporté par l’antenne individuelle (sur laquelle est connectée le TRX) est égal au nombre d’élément rayonnants, cela revient à concentrer la puissance du signal dans un faisceau étroit. Quel que soit le diagramme de rayonnement, la puissance transmise dans le faisceau est identique, par contre plus le faisceau est fin plus la couverture est importante. Si N est le nombre d’éléments rayonnants, le gain en dB s’exprime par 10*log10(N).

En réception, la station de base est en mesure de déterminer la position du mobile selon une des deux méthodes :

  • en analysant le signal de réception sur les différentes antennes (cf. equation 2). Le calcul de l’angle d’arrivée (AoA : Angle of Arrival ou DoA : Direction of Arrival) utilise un algorithme de traitement du signal comme MUSIC ou ESPRIT ;
  • à partir du rapport de mesure transmis par le terminal mobile (CSI : Channel State Information).

En émission, la station de base peut diriger le faisceau dans une direction donnée en appliquant un déphasage et un gain sur chacun des éléments rayonnants : pour diriger un faisceau (beam) dans une direction donnée, il est nécessaire d’apporter un poids sur chaque élément rayonnant :

La valeur du vecteur de poids w est estimée à partir d’une des deux méthodes décrites ci-dessus (estimation AoA ou CSI).

I-3) La formation du faisceau

L’une des complexités du Massive MIMO réside dans le contrôle du gain et de la phase de chaque élément d’antenne. Pour réduire cette complexité, la formation du faisceau est réalisée par un précodage numérique (digital beamforming) à partir d’un sous-résau d’antennes passif suivi d’un gain apporté par le tableau d’élément rayonnant (plusieurs AE) par un sous-réseau d’antennes actives. On parle alors de technique hybride (hybrid : digital and analog) formant un système d’antennes actives.

Nous avons vu précédemment qu’une antenne individuelle était connectée à une ou plusieurs chaîne radio TRX. Donc, une chaine radio (TRX) est connectée à une antenne individuelle, laquelle pour rappel est composée d’un ensemble d’éléments rayonnants.

Le précodage en bande de base consiste à contrôler les flux au niveau de chaque chaîne radio TRX. Ainsi dans le cas d’une antenne 64T64R, le précodage numérique contrôle 64 flux.

Le précodage analogique permet d’apporter un gain RF supplémentaire.

Pour résumer :

  • le précodage numérique (en bande de base) permet de contrôler un ensemble d’antenne individuelle par TRX. Le précodage s’appuie sur les retours CSI ;
    • du MIMO en transmettant des flux différents sur différentes antennes individuelles ;
    • de la formation d’un faisceau en transmettant le même flux vers différentes antennes individuelles (plusieurs TRX transmettent le même flux).
  • le précodage analogique (sur le signal RF) permet de contrôler les éléments d’antennes constituant un TRX. Le précodage s’appuie sur l’estimation de l’angle à l’arrivée.
    • Le précodage analogique en RF permet d’orienter le faisceau dans une direction donnée.

Il est ainsi possible

  • d’affiner le faisceau (beam) dans une direction donnée en couplant le précodage numérique et analogique ;
  • ou de faire du MIMO directif en couplant le MIMO du précodage numérique en dirigeant les faisceaux (le faisceau MIMO est formé à partir de plusieurs faisceaux RF).

Il existe deux types de connexion entre l’antenne individuelle de la chaîne radio TRX et les éléments d’antennes :

  • une connexion par partitionnement : une antenne individuelle est connectée à un ensemble d’éléments d’antennes disjoints (se référer à la figure 4) ;
  • une connexion complète : les antennes individuelles sont toutes connectées aux mêmes éléments d’antennes.

A titre d’exemple, pour une station de base 64T64R, si chaque antenne individuelle de la chaîne radio TRX est connectée à 4 AE, alors l’antenne massive MIMO est composée de 64*4 = 256 AE.