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Cours IUT – Chap 1 (Part 4)

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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.

Dual Connectivity : La Double Connectivité

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I) Introduction

La double connectivité (DC : dual connectivity) est une évolution fondamentale de la norme 4G. Celle-ci est définie dans la release R.12 et elle doit être comprise pour deux raisons principales :

  • le fonctionnement du mécanisme DC est exploité par les mécanismes LWIP et LWA ;
  • la double connectivité sera mise en œuvre pour le déploiement de la 5G en mode non autonome (NSA : non standalone). La double connectivité fait donc parti des mécanismes transitoires vers la 5G.

La double connectivité signifie que le mobile UE va établir simultanément deux supports radios (RAB : Radio Access Bearer) avec deux stations de bases. Ces stations de bases peuvent être des entités eNB pour la 4G et à terme, on parle de double connectivité entre une station de base eNB (ou ng eNB) et une station de base gNB (station de base 5G). La station de base ng eNB est une station de base 4G évoluée qui communique avec le cœur réseau 5G (le cœur réseau 5G se nomme 5GC).

II Explication de la double connectivité

La double connectivité différencie le plan de contrôle (control plane) et le plan de transport des données, c’est-à-dire le plan utilisateur (user plane). Lorsque le mobile UE veut établir un support EPS (EPS bearer) il commence par demander l’établissement d’un support de signalisation radio (SRB : Signalling Radio Bearer) avec une station de base eNB. Cette station de base eNB sera nommée par la suite entité MeNB (Master eNb). L’échange de signalisation (couche RRC) s’effectuera entre le mobile UE et la station de base MeNB.

Figure 1 : Le plan de contrôle pour la double connectivité

 

La double connectivité suppose l’établissement de deux supports radios (RAB) : un support radio avec l’entité MeNB et un support radio avec une deuxième station de base eNB nommée SeNB. Les deux stations de bases MeNB et SeNB impliquées dans la double connectivité doivent impérativement avoir une interface X2.

Les fonctions du MeNB sont les suivantes :

  • établir un support data radio entre la station de base MeNB et le mobile UE ;
  • échanger des informations de contrôle avec une station de base SeNB (Secondary eNB) ;
  • établir un support data radio entre la station de base SeNB et le mobile UE ;
  • récupérer les mesures radios de l’UE correspondant à la station de base MeNB et la station de base SeNB (dans le cas de la station de base SeNB les mesures sont transmises via l’interface X2 entre le SeNB et le MeNB) ;
  • échanger des informations de contrôle avec le MME ;
  • demander l’établissement, via le MME, d’un support S1 entre le MeNB et le SGW sur l’interface S1-U U entre la station de base MeNB et l’entité SGW;
  • éventuellement, demander l’établissement via le MME, d’un support S1 entre le SeNB et le SGW sur l’interface S1-U entre la station de base SeNB et l’entité SGW;
  • contrôler le handover entre le mobile UE et la station de base SeNB
  • contrôler le handover entre le mobile UE et la station de base MeNB, et dans ce cas, libérer le RAB avec le SeNB

Concernant le plan de transport, il existe sept architectures DC différentes reposant sur le principe d’ancrage du support soit au niveau de la station de base MeNB, soit au niveau de l’entité SGW : Deux supports radios sont établis entre le mobile UE et avec chacune des stations de base (MeNB et SeNB) et un support S1-U est établi entre la station de base MeNB et l’entité SGW. Un deuxième support S1-U peut être établi entre la station de base SeNB et l’entité SGW.

Chaque station de base eNB (MeNB et le SeNB) gère le trafic de manière autonome sur les sous-couches MAC et RLC de la couche 2 et chacun station de base eNb gère sa couche physique.

Ainsi, une fois la signalisation échangée entre le mobile UE et la station de base MeNB (couche RRC) et une fois l’établissement des supports radios, les 7 architectures sont les suivantes :

  • Architecture 1A : un support S1-U est établi entre la station de base MeNB et l’entité SGW et un support S1-U est également établi entre la station de base SeNB et l’entité SGW. Au niveau du SeNB, le flux est géré par la couche PDCP du SeNB indépendamment du MeNB
  • Architecture 2 : Au moins deux supports S1-U sont établis entre l’entité SGW la station de base MeNB. L’un des supports sera associé au support radio du MeNB, le deuxième support sera associé au SeNB. Aucun support S1-U n’est établi entre l’entité SGW et la station de base SeNB. La séparation des supports est à la charge du SGW et le MeNB va gérer la redirection du trafic vers le SeNB :
    • Architecture 2A : La redirection du flux est routée du MeNB vers le SeNB. Le flux est donc pris en charge par la sous-couche PDCP de la station de base SeNB.
    • architecture 2B : La redirection du flux est gérée par la couche PDCP de la station de base MeNB et envoyé à la sous-couche RLC de la station de base SeNB. C’est donc le MeNB qui gère le chiffrement des données;
    • architecture 2C : La redirection du flux est gérée par la couche RLC de la station de base MeNB vers la sous-couche RLC du SeNB. La sous-couche RLC de la station de base est configuré en mode transparent, le contrôle et l’acquittement des trames est effectuée au niveau de la station de base SeNB.
  • Architectures 3A/3B/3C se differencient des architectures 2A/2B/3C par le fait que la commutation des supports est à la charge de la station de base MeNB. Le SGW établi au moins un bearer radio S1-U avec le MeNB. Le ou les supports S1-U sont séparés au niveau de la station de base MeNB
    • Architecture 3A : une partie des paquets est transmis vers la sous-couche PDCP de la station de base MeNB, l’autre partie vers la sous-couche PDCP de la station de base SeNB
    • Architecture 3B : L’ensemble des paquets est traité par la sous-couche PDCP de la station de base MeNB, une partie des paquets est ensuite transmise vers la sous-couche RLC de la station de base MeNB, l’autre partie vers la sous-couche RLC de la station de base SeNB
    • Architecture 3C : L’ensemble des paquets est traité par la sous-couche PDCP de la station de base MeNB et transféré à la sous-couche RLC de la station de base MeNB. Une partie des paquets est dirigé vers la sous-couche RLC de la station de base secondaire SeNB, la sous-couche RLC de la station de base SeNB fonctionne en mode transparent .

Les architectures 2 et 3 ont l’avantage d’être transparentes pour le cœur réseau CN, la gestion de la mobilité est donc réalisée uniquement au niveau de la station de base MeNB, ce qui simplifie la signalisation avec le cœur réseau, surtout si on considère les stations de base secondaire SeNB comme des petites ou micro stations de base.

L’architecture 3C présente l’avantage de laisser la station de base MeNB gérer la séparation des supports S1-U. Cette fonction dévolue à la station de base MeNB lui permet, à partir de la connaissance de la qualité du lien radio (CQI : Channel Quality Indicator)  du support RAB entre le mobile UE et la station de base MeNB, ainsi que le CQI entre le mobile UE et la station de base secondaire SeNB d’ordonnancer de manière optimale les flux IP ce qui permet d’améliorer le débit au niveau du mobile UE.

L’architecture 1A a l’avantage de ne pas surcharger le réseau de transport backhaul contrairement aux architectures 2 et 3. L’opérateur doit en effet sur-dimensionner son réseau de transport par un facteur 3 lorsqu’il choisit de déployer les architectures 2 ou 3.

Au final, seules les architectures 1A et 3C ont été retenues pour la double connectivité. L’architecture 3C est plus fexible pour gérer la mobilité et le handover par rapport aux architectures 3A et 3B.