Les explications techniques du réseau de liaison terrestre et d’accès intégrés ont été partiellement présentées dans les trois articles précédents.
Cette article reprend l’illustration de SAMSUNG : Différentes zones urbaines sont couvertes par le mécanisme de relais IAB.
Cet article est le troisième et dernier traitant de l’IAB. Si besoin, n’hésitez pas à relire le premier article et le second.
III) Les mécanismes de routage IAB
III-1) Les entités BAP de la fonction DU et de la fonction MT
Le réseau d’accès IAB est constitué d’un ensemble de nœud IAB IAB-node, et d’une topologie de routage définie par un graphe orienté acyclique (DAG : Directed Acyclic Graph). Ainsi, plusieurs routes peuvent exister entre deux nœuds. La topologie peut ainsi être exploitée pour fiabiliser le routage (en cas de d’échec de lien – backhaul link failure) ou pour équilibrer la charge.
La sélection de la route et l’optimisation doit s’effectuer à chaque fois qu’un nouveau nœud IAB se connecte ou lorsque la topologie du réseau change.
Lorsqu’un nouveau nœud IAB intègre le réseau, l’unité Donor-CU attribue une adresse L2 unique (BAP Address).
Figure 9 : Configuration des instances de routage (Ericsson (1))
Au niveau du donneur IAB, la sous-couche BAP ne contient qu’une seule entité BAP.
Au niveau du nœud IAB, la sous-couche BAP contient une entité BAP sur la fonction MT et une entité BAP co-localisée sur la fonction DU.
La partie émettrice de l’entité BAP communique avec l’entité réceptrice de l’entité BAP.
L’entité réceptrice peut être située :
Lorsqu’il est situé sur un autre nœud, la communication s’effectue à travers le lien backhaul.
Ainsi, la partie émettrice de l’entité BAP (Transmitting part) peut recevoir des unités de sessions de données SDU (Session Data Unit) des couches supérieures ou des données BAP PDU délivrées par l’entité BAP réceptrice co-localisée.
Figure 10 : Les fonctions de l’entité BAP (3GPP TS38.240)
L’entité BAP de réception supprime l’en-tête BAP du SDU et l’entité BAP de transmission rajoute l’en-tête BAP avec le même identifiant de routage BAP ID porté par l’en-tête du PDU avant d’être supprimée.
Au niveau de la fonction MT, la partie émettrice de l’entité BAP peut recevoir des BAP SDU des couches supérieures ou des paquets provenant de (et reçu par) l’entité BAP de la fonction DU du même nœud IAB ce qui lui permet de construire le paquet BAP PDU.
Au niveau de la fonction DU :
La partie émettrice de l’entité BAP doit :
3.2) Les mécanismes de routage
Dans le cas ou plusieurs chemins permettent de transmettre un paquet IP entre le nœud IAB de terminaison et le nœud donneur IAB, des Identifiants de route ID sont associés. L’unité donneur Donor-CU configure alors une table de routage indiquant le prochain saut pour chaque direction UL/DL en fonction de l’identifiant de route. La table de routage sépare la direction DL et UL, la table DL est utilisée par le module DU et la table UL est utilisée par le module MT.
Lorsqu’un paquet IP doit être transmis, le nœud à l’origine (le nœud donneur IAB IAB-donor pour le sens descendant ou le nœud IAB pour le sens montant) rajoute un en-tête BAP comprenant l’adresse L2 du nœud d’origine, l’adresse L2 du nœud de destination et optionnellement (si plusieurs chemins existent) l’identifiant du chemin.
Lorsque l’entité RLC du nœud IAB reçoit plusieurs trames en direction d’un même nœud, l’entité RLC peut multiplexer l’ensemble des trames (correspondance N :1) ou transmettre les trames 1 à 1. La correspondance N :1 est un multiplexage de plusieurs bearer radio dans un seul canal RLC à condition que tous les bearers radio aient les mêmes profils de QoS. La correspondance N :1 permet de transmettre moins de canaux RLC et réduit les en-têtes à rajouter.
La correspondance 1 :1 permet de transmettre des bearers radio dans des canaux RLC spécifique afin de prendre en charge la QoS à appliquer pour chaque bearer.
Figure 11a: La correspondance 1 :1
Figure 11b: La correspondance N :1
IV) Conclusion
La solution IAB a pour objectif de réduire le coût de déploiement de nouvelles stations de base principalement pour les antennes relais dans les bandes millimétriques dans les zones très denses. Toutefois, la solution IAB permet également de densifier le déploiement de nœuds radioélectrique dans le cadre des services V2X (exemple le long des routes/autoroutes).
Figure 12 : Un exemple de déploiement le long d’une autoroute
Enfin, le nœud IAB peut également être mobile (camion) pour mettre en place une infrastructure évènementielle.
Références
Cet article est la suite de l’article :
Le Réseau de liaison terreste et d’accès intégré
II) L’Architecture IAB (Integrated Access Backhaul)
L’architecture IAB (figure 5) permet la connexion entre le mobile UE et le nœud radioélectrique par une connexion radioélectrique 5G multi-sauts entre les nœuds IAB.
On appelle IAB-donor la station de base connectée au cœur de réseau (en général une macro-cell) et le nœud-IAB, une station de base permettant le relai entre le mobile et l’IAB-donor.
On distingue deux types de lien, le lien d’accès et le lien backhaul (Integrated Access and Backhaul) :
Le nœud IAB parent est responsable du séquencement du trafic DL/UL s’établissant à la fois sur le lien d’accès et sur le lien backhaul.
Le nœud IAB fils en tant que dernier maillon de la chaine de transmission est responsable du séquencement de trafic DL/UL entre le nœud IAB et le mobile UE.
Les fonctionnalités de l’IAB sont gérées par deux nouvelles entités réseaux : nœud donneur IAB (IAB-Donor) et un nœud IAB (IAB-node). Chaque nœud IAB a une adresse IP qui est routable par la station de nœud donneur IAB-donor.
Figure 5 : Architecture IAB
Chaque nœud IAB gère deux modules de transmission (figure 6) : un module MT (Mobile Termination) et un module DU.
Le nœud donneur IAB-donor est un gNB, il gère les deux unités CU et DU. Il fournit l’accès au cœur de réseau via le réseau backhaul et le réseau d’accès radioélectrique.
Comme tout gNB, le noeud IAB-donor est constitué d’un seul IAB-donor-CU et d’un ou plusieurs IAB-donor-DU, connecté l’un et l’autre via l’interface F1.
Le noeud IAB-donor est connecté au nœud IAB-node par l’interface NR.
Figure 6 : Architecture CU/DU de la solution IAB
Le nœud IAB-node se connecte en amont à un nœud IAB-node ou à un nœud IAB-donor en exploitant les fonctionnalités UE. Ainsi, le nœud IAB-node :
Le nœud IAB-Donor :
Toutes les fonctions spécifiées pour un gNB-DU sont également appliquées pour un IAB-node-DU et toutes les fonctions spécifiées pour le contexte UE sont également utilisées dans la gestion du contexte de l’IAB-MT.
Le nœud IAB-Node doit avoir une adresse IP pour le plan de contrôle (F1-C) et pour le plan de trafic (F1-U).
La pile protocolaire est similaire à celle de la station de base gNB avec l’ajout d’une sous-couche d’adaptation BAP (Backhaul Adaptation Protocol) située au-dessus de la couche RLC.
Sur l’IAB-donneur-DU, la sous-couche BAP contient une seule entité BAP.
Sur le nœud IAB, la sous-couche BAP contient une entité BAP au niveau de la fonction MT et une entité BAP colocalisée distincte à la fonction DU.
Chaque entité BAP a une partie émettrice et une partie réceptrice. L’entité BAP a pour rôle d’apporter les informations de routage de flux et d’autoriser la transmission multi-sauts. La table de routage est fournie par l’entité gNB-CU via le message BH Routing Configuration.
Les fonctions de la couche d’adaptation BAP permettent :
Figure 7 : L’architecture protocolaire IAB
Le nombre de saut n’est pas limité, il est néanmoins nécessaire de s’assurer du respect des contraintes de latence.
Le donneur IAB-donor assigne une adresse de niveau 2 (adresse BAP) à chaque nœud IAB qu’il contrôle. En cas de plusieurs chemins, plusieurs identifiant de route peuvent être associés à chaque entité BAP. L’entité BAP du nœud d’origine (IAB-donor DU pour le trafic DL, et le nœud d’accès IAB pour l’UL) ajoutera un en-tête BAP aux paquets que chacun transfère. Cet en-tête comprend un identifiant ID de routage BAP (par exemple, l’adresse BAP du nœud IAB de destination / source et un ID de chemin facultatif).
Chaque nœud IAB met en place une table de routage qui est configurée par l’unité CU du donneur IAB (message BH Routing Configuration). Cette table contient l’identificateur de saut suivant pour chaque ID de routage BAP.
Figure 8 : Le transfert IAB
Introduction
Le réseau d’accès radioélectrique NG-RAN est composé de nœuds radioélectriques permettant la transmission de flux à très haut débit. Selon la spécification TS 38.300, le nœud NG-RAN peut être une station de base gNB (avec une interface radioélectrique 5G-NR) ou une station de base ng-eNB (avec une interface radioélectrique 4G-LTE).
Pour apporter plus de flexibilité et optimiser le transport de données à très haut débit, la spécification 3GPP TS 38.804 propose une division fonctionnelle des éléments de la BBU en deux unités CU et DU.
Un nœud gNB (ng-eNb) est composé d’une unité centrale (CU, Central Unit), et d’un ensemble d’unités distribuées (DU, Distributed Unit) et d’unité radio RU (Remote Unit) ou AAU (Activa Antenna Unit). Certaines fonctions de la couche physique de bas niveau peuvent être détachées du DU et implémentées dans une unité radio distante (RU, Remote Unit).
L’interconnexion entre les différentes entités (coeur de réseau, CU, DU et tête radioélectriques) sont assurées par des liens en fibre optique.
Le réseau de transport 5G est constitué de 3 segments :
Dans les zones denses, pour éviter la saturation des stations de base, l’opérateur doit rajouter des points de transmission. La multiplication des unités radio distante nécessite le déploiement d’une infrastructure en fibre optique (RoF : Radio Over Fiber). Pour simplifier le déploiement de nouveaux points de transmission, la 3GPP propose la solution de relais radioélectrique IAB (Integrated Access Backhaul).
Dans cet article, nous allons détailler le déploiement de relais par la mise en place d’une lien radioélectrique backhaul entre la station de base initiale et les relais.
Le nœud NG-RAN est constitué de deux unités : une unité centralisée CU (Centralized Unit) et une unité distribuée DU (Distributed Unit). L’une et l’autre communiquent par une interface F1.
L’unité gNB-CU contrôle plusieurs unités DU et une unité DU n’est contrôlée que par une seule unité CU.
De par la décomposition fonctionnelle entre les données de signalisation (control plane) et les données de trafic (user plane), une station de base peut être constituée :
Figure 1 : Architecture d’un nœud NG-RAN
L’organisme de normalisation 3GPP propose plusieurs découpages fonctionnels entre les entités gérées au niveau de l’unité CU et celles gérées au niveau de l’unité DU. La figure 1 correspond à l’option 2. La figure 2 présente les 8 découpages possibles.
Figure 2 : Les options de découpage CU/DU
Cette décomposition apporte un nouveau lien entre l’unité CU et l’unité DU. Ce lien est nommé midhaul.
L’organisme de normalisation 3GPP a retenu dans un premier temps (R.15) l’option 2 avec l’introduction de l’interface F1 sur le lien midhaul entre les unités DU et CU.
Figure 3 : Le découpage fonctionnel de la station de base (Nokia)
Le lien fronthaul est la connexion entre l’unité de bande de base (BBU) et la tête radioélectrique déportée (RRH). Ce lien s’appuie sur une connexion en fibre optique. Différents protocoles d’interfaces de réseau fronthaul ont été spécifiés comme le protocole OBSAI et le protocole CPRI. Le protocole CPRI est apparu en 2003 pour connecter les stations de bases BBU aux têtes radioélectriques déportées RRH. Le lien CPRI est mis en œuvre pour l’interconnexion entre le RRU et le BBU 4G et 5G-NSA. Il s’agit de l’option 8.
L’arrivée de nouvelles technologies antennaires comme le massive MIMO permet d’augmenter considérablement les capacités de transport sur l’interface CPRI. Pour réduire cette forte augmentation en débit, le protocole eCPRI, défini en 2017, réduit cette tension en débit de transmission grâce à une décomposition fonctionnelle plus flexible de la partie BBU. Le protocole eCPRI identifie trois plans nécessaires à l’interaction entre l’équipement radioélectrique eRE et l’équipement de contrôle eREC. Ces trois plans sont les suivants : le plan utilisateur, le plan de synchronisation, et le plan de contrôle et gestion. La synchronisation est essentielle pour le mode de duplexage temporel.
La flexibilité est aussi apportée par les fonctions de virtualisation réseau NFV. Les 8 options peuvent facilement se déployer par la virtualisation de l’accès radioélectrique (V-RAN) : Les entités fonctionnelles de l’unité DU et/ou de l’unité CU peuvent être intégrées à l’entité physique RU, l’entité physique DU peut être combinée à l’entité physique CU, ou bien chaque entité matérielle peut fonctionner de manière indépendante à des emplacements séparés. Dans chacun de ces cas, le backhaul fournit toujours le lien établissant la connexion au backbone.
Le terme crosshaul (ou x-haul, ou xhaul) désigne indépendamment lien fronthaul, midhaul ou backhaul.
Figure 4 : Différentes options du découpage fonctionnel de la station de base
En Juin 2018, l’alliance O-RAN a été créée pour standardiser l’interconnexion des différentes interfaces en fonction des 8 découpages proposés. Le but est de permettre la migration des entités du réseau d’accès radioélectrique indépendamment du ou des fournisseurs.
Si la fibre optique est le média de transport favorisé, la densification des stations de base consécutive à l’exploitation des bandes millimétrique pose le problème de connectivité entre les nouvelles antennes et le cœur de réseau.
Pour résoudre ce problème et pour réduire les couts de déploiement (CAPEX), le standard 3GPP propose (dans la spécification R.16) la mise en place d’une solution de connectivité IAB (Integrated Access Backhaul), se substituant ainsi à la solution sur Fibre Optique pour le réseau d’accès.