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Le découpage des fonctions gNB : 3GPP et O-RAN

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Introduction

Au cours des 5 précédents articles, nous avons vu les sous-couches protocolaires mises en œuvre au niveau de la station de base gNB.

L’entité gNB a été présentée comme une entité monolithique, le standard 3GPP présente la pile protocolaire et les interfaces entre l’UE, la station de base et le cœur de réseau.

Afin d’apporter plus de souplesse, le standard 3GPP propose de découper l’entité gNB en deux unités : une unité distribuée DU (RLC, MAC et Radio) et une unité centralisée CU (RRC et SDAP/PDCP).

Ce découpage définit de nouvelles interfaces (F1) et de nouvelles liaisons (fronthaul, midhaul et backhaul [1]) comparativement au découpage RU et BBU en 4G LTE.

Figure 1: Le découpage d’une station de base eNB et d’une station de base gNB

II) L’architecture 3GPP

L’architecture du gNB est représentée sur la figure suivante [2]

Figure 2 : Architecture gNB (Rahim Navaei) [2]

On sépare le plan de contrôle (Control Plane) et le plan utilisateur (User Plane) (CUPS : Control User Plane Separation).

Au niveau du cœur de réseau, la 3GPP défini une architecture SA en introduisant les interfaces basées sur le service (SBI) et en utilisant le protocole http2 et des API. L’architecture SBA est Cloud-native.

Au niveau de l’accès radio, la décomposition du la BBU en CU et DU et l’évolution de l’eCPRI permet de faciliter le déploiement de la virtualisation de la partie radio (O-RAN).

Dans le plan de contrôle, la figure 2 fait apparaitre un nouveau protocole F1AP entre le gNB-CU et le gNB-DU et un nouveau protocole E1AP sur l’interface E1 entre le gNB-CU du plan de contrôle et le gNB-CU du plan utilisateur.

Les fonctions sur le plan de contrôle F1AP permettent de gérer l’interface (établissement, re-initialisation, achèvement de l’interface F1) et porte les messages de contrôle RRC pour la gestion du contexte utilisateur (via le message F1AP UE Context), la gestion des systèmes d’informations MIB/SIB, le paging et l’allocation d’un numéro de tunnel TEID pour le plan d’acheminement entre le gNB-CU UP et l’UPF.

Le plan d’acheminement est injecté à travers la fonction E1AP. Les fonctions E1AP permettent de gérer l’interface (établissement, re-initialisation, achèvement de l’interface E1) et de gérer le bearer (via le message E1AP Bearer Context).

A titre d’exemple, en cas de Handover, la reconfiguration radio est déclenchée par l’unité gNB-CU de la station de base source et implique une modification du contexte entre l’unité DU source et l’unité DU cible.

Figure 3 : Les messages en cas de HandOver

 

III) L’architecture O-RAN

L’alliance O-RAN (Open Radio Access Network) propose une décomposition des fonctionnalités de la station de base en micro-services.  La première étape consiste à découper le bloc monolithique de l’entité gNB en fonctions réseaux virtualisables et inter-opérables.

La solution Cloud-Native est adoptée et plusieurs options sont possibles quand à l’implémentation RAN en micro-services : conteneurs, K8s K3s ou VM.

Amazon propose les solutions ECS (Elastic Container Service), EKS (Elastic Kubernetes Services – EKS Distro ou EKS Anywhere) [3]

L’alliance O-RAN définie (figure 1) une architecture O-RAN composée de 9 fonctions réseaux et 19 interfaces. En se basant sur l’architecture 3GPP, l’alliance O-RAN vise à définir une architecture ouverte et interopérable.

Figure 4 : Architecture O-RAN [3]

Les interfaces E2 et O1 permettent d’améliorer la gestion de l’accès radioélectrique et d’automatiser le déploiement d’instances en se basant sur des outils d’optimisation et d’automatisation radio (avec l’utilisation de l’apprentissage Machine Learning et l’optimisation par l’IA).

Le découpage des fonctions O-CU, O-DU et O-RU est standardisé par l’alliance O-RAN. La 3GPP qui propose un découpage du gNB en deux unités DU et CU est représenté par l’option 2 du standard O-RAN.

Figure 5 : Le découpage en fonction de l’architecture O-RAN [4]

L’architecture O-RAN comprend 3 niveau (three tiers) :

L’infrastructure O-Cloud contient les serveurs physiques et les fonctions réseaux.

L’orchestrateur SMO (Service Management and Orchestration Framework) fournit les services de gestion des instances, en apportant les fonctionnalités pour la gestion des slices, la gestion des services de transports de données. Le SMO peut être la plateforme ONAP (Open Network Automation Platform).

Le contrôleur RIC (non-real time and near-real time RIC) a pour objectif d’optimiser les fonctions réseaux RAN pour la gestion de la mobilité des utilisateurs (non real time RIC), le contrôle de l’admission radioélectrique (non real time RIC) et la gestion des interférences (near-real time RIC. Le contrôleur utilise les outils ML/IA pour prédire et optimiser la gestion de l’accès radioélectrique et a pour objectif de contrôler les unités O-DU et O-CU pour la gestion de la QoS.

 

[1] TS 38.401

[2] Rahim Navaei :  https://www.linkedin.com/feed/update/urn:li:activity:7018462941226098688/

[3] https://docs.aws.amazon.com/whitepapers/latest/open-radio-access-network-architecture-on-aws/open-radio-access-network-architecture-on-aws.html

[4] TR 38.801

La spécification O-RAN : le decoupage 7.2

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Dans cet article, nous allons nous intéresser à la spécification O-RAN et plus particulièrement à la partie de découpage de la couche basse LLS (Low Layer Split) c’est-à-dire à la séparation des fonctions entre l’unité radio RU et l’unité distribuée DU. Il existe plusieurs options numérotées de 1 à 8 décrivant un découpage entre les fonctionnalités intégrées à l’unité RU (Radio Unit), DU (Distributed Unit) et CU (Central Unit) faisant ainsi apparaitre de nouvelles interfaces (fronthaul/midhaul/backhaul).

Figure 1 : Le découpage radioélectrique et les interfaces

L’option 7.2 propose un découpage de la couche physique basse (LLS ) au niveau du RU et la couche physique haute au niveau du DU. Elle est souvent associée à l’option 2 pour le CU.

 

Figure 2 : L’architecture protocolaire de la station de base et l découpage des fonctions radio

Le découpage a un impact sur les performances de transmission :

Figure 3 : Le découpage et la qualité de service

L’interface entre l’unité RU et DU est nommée fronthaul et les données utilisateurs ainsi que la manière dont les données seront émises (mode de transmission) sont transportées par un bus série eCPRI. Pour pouvoir gérer les données, le fronthaul transporte également une couche de gestion et une synchronisation.

Figure 4 : L’interface Open-Fronthaul [1]

La transmission des données du plan de contrôle et le plan utilisateur entre l’unité O-RU et l’unité O-DU est gérée au niveau de la couche 2 avec un service l2VPN VPWS ou eVPN VPWS, les données du plan de gestion sont transportées par le protocole IPv4 ou IPv6.

Figure 5 : Le transport des plans de données et de gestion entre le DU et le RU

L’unité radio converti le signal numérique en signal radio et inversement. Les fonctionnalités dédiées à l’O-RU pour le découpage O-RAN version 7.2 :

  • Synchronisation (GPS/IEEE 1588) et transport Fronthaul (eCPRI)
  • Gestion de la couche physique basse (FPGA ou ASIC)
  • Front end (radio et numérique) : Convertisseur et pre-distorsion, amplificateurs

Figure 6 : l’architecture physique de l’O-RU [2]

Pour résumer, voici les principaux avantages et inconvénient du découpage des fonctions :

Figure 7 : Les avantages et inconvénients du découpage (source CISCO)

Le découpage 7.2 présente quatre avantages :

  1. Le transfert des données du plan utilisateur correspond à des éléments de ressources ce qui permet de gérer la correspondance des données (RE Mapping) au niveau du DU et limite le nombre de message de contrôle vers le RU ;
  2. L’adaptation de la bande de transport des données est basée sur le nombre de flux (stream) et non sur le nombre d’antennes :
  3. La gestion des faisceaux peut être numérique/analogique ou hybride.
  4. La simplification de la gestion de l’interférence intercellule ICIC et de la coordination multipoint (COMP) qui est gérée au niveau de l’unité DU

De plus, concernant le découpage 7.2, deux modes distincts de fonctionnement ont été définis selon que la précodage est situé au niveau de l’O-RU ou de l’O-DU

  • O-RU catégorie A

Le précodage est réalisé au niveau du DU. L’interface fronthaul transporte des flux séparés spatialement (stream). Cela peut nécessiter une charge plus élevée par rapport au transport d’une couche. Le Beamforming Numérique et analogique sont optionnels

  • O-RU catégorie B

Le précodage est réalisé au niveau du RU. L’interface fronthaul transport une couche réduisant ainsi la charge de la payload par rapport à la cat A mais le codeur est plus complexe. Le Beamforming Numérique et analogique sont optionnels

Pour comprendre la différence entre les deux catégories, il est intéressant de reprendre le schéma d’une chaîne de transmission MIMO :

Figure 7 : le synoptique d’une chaîne de transmission MIMO

Une couche est définie comme un chemin d’entrée de codage et de modulation vers le codeur MIMO. Un flux est défini comme la sortie de l’encodeur MIMO qui est ensuite traitée via la formation de faisceau ou le bloc de précodeur.

Figure 8 : Les deux catégories A/B du découpage radio fonctionnelle 7.2 [3]

La catégorie A permet de simplifier la conception de la partie radio (figure 8), laquelle n’a pas à gérer la matrice de précodage sur les flux.

L’exemple suivant (figure 4) présente la cas du MIMO. Figure 9: Découpage fonctionnel 7.2

A travers le plan de contrôle C-plane, l’unité O-DU informe l’unité O-RU du traitement à accomplir en transmettant le précodage a effectuer.

Figure 10 : La gestion du BeamForming selon la matrice de précodage calculée au niveau de l’unité O-DU[3]

 A partir de la solution XILINX [2], nous allons voir le découpage fonctionnel de l’unité O-RU cat B connectée à une antenne massive MIMO 64T64R.

L’unité O-RU est composée de 5 sous unités :

  • Une sous unité d’interface ISU (Interface SubUnit)
  • Quatre sous unité radio RSU (Radio SubUnit)

L’unité ISU reçoit des trames eCPRI via l’interface ethernet, et récupère la payload, c’est-à-dire les symboles I/Q. Les symboles sont multipliés par la matrice de précodage H18×64 permettant de générer 64 flux qui seront répartis sur les 4 sous unités radio RSU.

Chaque RSU traite en parallèle les 16 flux en réalisant l’IFFT sur le signal I/Q et en ajoutant le préfixe cyclique, puis une calibration, et un premier convertisseur en fréquence (DUC : Digital Up Converter) et une pré-distorsion (PDP) et/ou une réduction du facteur crête (CPR Crest Factor Reduction) est effectuée avant amplification.

Figure 11 : Le synoptique et l’implémentation Xilinx du O-RU

La partie antennaire est composée de brin rayonnants avec deux polarités, chaque RSU gère un panneau antennaire. L’antenne est constituée de 4 panneaux.

Sur la figure 12, il y a 128 éléments d’antennes pour 64 émetteurs/récepteurs (transceiver 64T64R) en connectant deux éléments d’antennes de même polarité au même port d’antenne.

Figure 12 : Antenne Massive MIMO avec 128 éléments rayonnants

 

[1] https://www.youtube.com/watch?v=KAW4LHK31Ek
[2] https://www.techplayon.com/o-ran-open-radio-unit-o-ru-reference-architecture/
[3] https://online-events.keysight.com/keysight-technologies7/Massive-MIMO-O-RAN-Radio-Units-O-RU-Design-and-Conformance-Test-Challenges?show_live_page=true&add_to_calendar=true&bmid=4f5ae43d7e8c

 

 

Le réseau de liaison terrestre et d’accès intégré IAB – Integrated Access Backhaul (Part 2)

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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 lien d’accès est le lien entre le terminal UE et l’antenne relais nœud IAB (IAB-node). Traditionnellement, dans un contexte hors-IAB, ce lien représente la connexion radioélectrique entre le mobile et la station de base.
  • Le lien backhaul est le lien entre un nœud IAB parent et un nœud IAB fils. Il peut s’agir d’une connexion radioélectrique entre un nœud IAB-donor et le nœud IAB ou entre deux nœuds IAB.

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 module MT maintient la connexion radioélectrique backhaul montante vers un nœud parent (nœud IAB-Donor ou un nœud IAB-node) ;
  • Le module DU fournit l’accès radioélectrique au mobile et assure la connexion radioélectrique backhaul descendante en provenance d’un autre nœud IAB ou du nœud IAB-donor.

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 :

  • est perçu comme l’entité gNB-DU pour les terminaux. Il est ainsi sous le contrôle du gNB-CU du nœud donneur ;
  • supporte une partie des fonctionnalités des terminaux UE (fonctionnalités IAB-MT).

Le nœud IAB-Donor :

  • est perçue comme l’entité gNB-CU par rapport au nœud IAB-node ;
  • gère les fonctionnalités RRC/PDCP en complément du MT.

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 :

  • de gérer efficacement le transfert multi-sauts (lien backhaul) ;
  • de router les paquets vers le prochain nœud via la topologie backhaul ;
  • de contrôler les flux de la signalisation.

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

 

 

Le réseau de liaison terrestre et d’accès intégré IAB – Integrated Access Backhaul

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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 :

  • le backhaul est la liaison entre le CU et le cœur du réseau (5GC). Il est généralement implémenté à l’aide des technologies de transport optique à très haut débit de type WDM (Wavelength Division Multiplexing) ;
  • le midhaul entre le CU et le DU. La liaison midhaul est une liaison IP/Ethernet qui transporte le trafic de données (F1-U) et de signalisation (F1-C) de l’interface F1;
  • le fronthaul entre le DU et le RU via le déploiement des réseaux optiques ODN (Optical Distribution Network) ou FTTH (Fiber To The Home).

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.

  1. Architecture gNB

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 :

  • pour l’unité CU : d’un unique gNB-CU-CP et de plusieurs gNB-CU-UP ;
  • pour le module DU, de plusieurs gNB-DU.

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.