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La 5G Privative – NPN Non Public Network

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I – Introduction

L’article « Déploement de la 5GC » avait pour objectif de présenter le déploiement du cœur de réseau. Il existe aujourd’hui plusieurs solutions Open Source pour tester le cœur de réseau, je présenterai les solutions Free5GC, Open5GS et OAI dans un autre article

Le cœur de réseau 5G peut être déployé pour l’usage d’une organisation, d’une entreprise, d’un ministère, d’une université, d’un hôpital … (cf. Campus 5G) pour des besoins tels que :

  • une haute exigence en QoE (très haut débit, et latence très faible),
  • une sécurité pouvant se baser sur les outils de la blockchain notamment pour la sécurisation des objets connectés et le déploiement décentralisé de la 5G et des serveurs d’applications (MEC) ,
  • une délégation de la responsabilité des performances du réseau (fiabilité, maintenance, débits, QoS, …).

Le principal attrait de la 5G privative est sa capacité à connecter le terminal à un serveur en périphérique (Datacenter MEC) pour des applications URLLC (protocole 5G TSN Time Sensitive Network), d’apporter une connectivité LAN (5GLAN) et de connecter plusieurs terminaux IoT pour des applications industrielles (IIoT).

La connectivité 5G LAN permet de plus d’interconnecter des sites distants via un modèle de déploiement hybride privée/publique.

II – Le réseau NPN pour quelles applications?

Sans être exhaustif, les marchés verticaux sont :

  • Hôpital : Des salles d’opérations équipées de systèmes d’imagerie avancées (rayons X sur arceau C-arm X ray), des tomodensodimètres CT (Computed Tomography), scanners à résonnances magnétiques MRI (magnetic resonance imaging), des caméras endoscopiques à hautes résolutions (8 k) supportant une haute résolution en couleur (10 bits par canal – HDR High Dynamic Range) et un nombre d’images par seconde élevée (120 images par seconde HFR High Frame Rate), des scanners. Couplé à l’IA (MEC), la connectivité 5G permet aux chirurgiens d’avoir des informations en temps réel avec des dispositifs médicaux comme le laparoscope.
  • Le Smart-Grid pour la régulation du réseau électrique en temps réel (cf. article CPS)
  • Application Professionnelle Audio et Video VIAPA (video, imaging and audio for professional applications) [1]. La production audiovisuelle comprend des studios de télévision et de radio, des reportages en direct, des événements sportifs, des festivals de musique, …

Tableau 1 : Les performances attendues pour les applications de productions audiovisuelles

  • IIoT : L’entreprise 4.0 et l’entreprise 5.0 (cf. vidéo : https://youtu.be/-oAgHpzm_FU)
    • Coopération Humains/Machine – robot collaboratif COBOT (URLLC)
    • Contrôle de machine à distance (URLLC)
    • Jumeaux Numériques (eMBB)
    • AR/VR (réparations ou transfert de compétences) (eMBB)
    • Maintenace prédictive d’une chaîne de production (mMTC)

Figure 1 : L’entreprise 5.0 [2] (avec l’accord de Justyna Matuszak)

III – Les modèles de déploiement de la 5G privative [6]

Différents modèles 5G privative (NPN – Non Public Network) ont été standardisées  dans la R.16 de la 3GPP :

  • le modèle SNPN (Standalone NPN) entièrement déployé chez le client (premises) ou cloud native si le client dispose de plusieurs sites.
  • un modèle hybride publique/privée (Public Network Integrated PNI/PNP) permettant au client de louer une partie de l’infrastructure de l’opérateur. Afin de répondre au besoin du client, l’opérateur vend soit une tranche de réseau (Slice PLMN) via un accord de service SLA (Service Level Agreement) soit propose un réseau dédié DNN, soit propose une mutualisation de la station de base avec un accès restreint par groupe (CAG : Closed Access Group).

3-1) Modèle SPNP

Dans le cas du modèle SNPN, le plan de contrôle 5G CN, le plan utilisateur 5G UP sont chez le client (premise). La station de base gNB est également chez le client mais deux cas se présentent : soit la station de base est entièrement dédiée pour des communications privatives, soit la station de base permet également d’accéder au réseau PLMN via le RAN Sharing MOCN (cf. article précédent). Le spectre radio peut être une bande opérateur ou une bande PMR (3,7 – 3,8 GHz) dont le prix de vente par l’ARCEP a largement été réduit pour attirer les industrielles au déploiement de la 5G privée : A titre d’exemple, alors qu’un industriel souhaitant déployer un réseau privé sur une zone de 300 m² devait s’acquitter d’une redevance annuelle à hauteur de 70 992 € pour disposer d’une bande de 20 MHz, celle-ci sera désormais réduite à 592 € depuis le 1er janvier 2023 [3]. 

Le terminal UE sélectionne une station de base en fonction de l’identifiant opérateur PLMN-ID ou du réseau privé (MNC=999) et de l’identifiant du réseau privée NID. L’identifiant PLMN ID + NID identifie le réseau SNPN.

L’identifiant NID est choisi soit de manière unique, quelque soit le PLMN ID, soit défini par un PLMN de manière unique de façon à garantir l’unicité du PLMN ID + NID.

Le réseau SNPN est séparé du réseau opérateur PLMN. Depuis la R16, le terminal peut accéder aux services de l’opérateur HPLMN à condition de s’authentifier auprès de ce dernier.

Ce point étant optionnel, la R.17 étudie les possibilités de repli (FallBack) sur le réseau IMS de l’opérateur pour la prise en charge des appels d’urgences ainsi que l’intégration des systèmes d’alerte PWS (Public Warning System). Pour le raccordement du SPNP vers le réseau PLMN, la porte d’entrée du réseau PLMN est gérée par la fonction N3IWF.

Figure 2 : Modèle SNPN

3-2) Modèle PNI-NPN

L’architecture PNI/NPN nécessite :

  • des accords de raccordement (à l’instar des offres MVNO)
  • la description des performances que l’opérateur doit mettre en œuvre (Slice ou DNN)
  • ainsi que la définition de la part de responsabilité du réseau privé 5G et ses obligations [4].

Trois modèles de déploiement sont proposés dans la R.16.

a) Mutualisation du RAN

Le modèle PNI-NPN le plus courant se base sur la mutualisation de la station de base en passive Sharing ou MOCN (RAN SHARING, cf. article précédent).

L’accès radio est apporté par l’opérateur, le cœur du réseau est isolé dans l’entreprise.

Figure 3 : Modèle PNI-NPN avec mutualisation du RAN

b) Mutualisation du RAN et du plan de contrôle

L’utilisateur est client du PLMN, ce dernier propose une tranche de réseau (Network Slicing) pour router le trafic sur le plan de transport (UP Plane) dans l’entreprise. Cette solution présente l’avantage d’une communication sans coupure (mobilité transparente : seamless mobility) entre le plan de transport interne à l’entreprise (premise) et le plan de transport de l’opérateur.

Figure 4 : Modèle PNI-NPN avec mutualisation du RAN et du CN

c) Mutualisation du RAN et du plan de contrôle et de trafic

L’opérateur met à disposition du client une tranche de son réseau (slice). Le client paye un forfait chez l’opérateur, il peut donc accéder aux services de l’opérateur et aux services de son réseau privatif via un accord de roaming.

Si le terminal dispose de plusieurs cartes SIM (multi-SIM), des procédures de sélection de PLMN sont mises en œuvre. Dans le cas du DUAL IMSI SIM, l’utilisateur ne peut pas utiliser les 2 identités SIM simultanément mais commute d’une carte à une autre manuellement. Dans le cas du Dual SIM DUAL Standby (DSDS), l’UE est enregistré sur les deux réseaux mais un est en stand-by. Dans le cas d’une eSIM, le téléphone DSDS peut être connecté sur le réseau PNP et PLMN en même temps.

IV – La sélection de la station de base

Dans le cas du réseau SNPN, le terminal UE sélectionne une station de base en fonction de l’identifiant opérateur PLMN-ID et du NID (Network IDentifier). L’identifiant NID est introduit pour identifier, découvrir, sélectionner et contrôler l’accès au réseau SNPN.

Dans le cas du réseau PNI-PNP, l’UE sélectionne le réseau via le PLMN ID. Le contrôle d’accès est défini par l’identifiant de groupe CAG ID. Cet identifiant est utilisé pour identifier un groupe d’utilisateurs autorisés à ce connecter sur une gNB publique afin d’interdire les utilisateurs non autorisés à accéder à l’accès radio.

La R.17 introduit la fonction de Join Server (cf. LoRaWAN1.1 ou 1.04) nommé 5G SDM (Subscriber Data Management) : le client dispose d’un abonnement auprès d’un titulaire d’une accréditation CH Credential Holder, entité qui peut être un autre SPNP, un opérateur PLMN (UDM) ou une entité non 3GPP (AAA). Ainsi, le réseau de l’abonné (PLMN ou NPN) peut orienter la connexion de ses UE abonnés vers un PLMN ou NPN visité particulier (autre que celui abonné) et permettant au réseau abonné d’orienter la sélection du réseau en fonction de sa priorité (par ex. , arrangements commerciaux).

La R.18 va permettre de proposer de la mobilité entre différents eSPNP (evolved SPNP) ce qui permettra au mobile de sélectionner des stations de base d’un autre eSPNP que le sien à partir de de la diffusion d’information SIB.

V – La mise en sécurité

L’accès à la 5G privative ne nécessite pas la mise en sécurité via l’application USIM (même en passant par un accès radio 3GPP). En effet, l’identifiant SUPI correspond soit à l’identifiant IMSI pour accéder au réseau opérateur, soit à un identifiant réseau NAI (Network Access Identifier). Pour éviter l’usurpation d’identité (spoofing), cet identifiant peut être transmis en étant chiffré (SUCI) ou à travers un tunnel IPSEC.

Si l’application USIM n’est pas utilisée, l’authentification est réalisée via le protocole EAP sur TLS/TTLS et les clés de chiffrement/d’intégrité sont conservés au niveau du terminal (la carte UICC n’étant pas exploitée). Pour plus d’explications se référer au RFC 7542.

Si le mobile se connecte sur un réseau SPNP et souhaite profiter des services du réseau PLMN, alors il doit s’authentifier de manière classique au réseau PLMN. La connectivité avec le réseau PLMN est assuré par le plan de transport du réseau SPNP. Celui-ci est vue comme un réseau non 3GPP pour le réseau PLMN qui propose la fonction N3IWF comme porte d’entrée au réseau PLMN.

Dans le cas du SPNP avec de nombreux IoT, la blockchain peut être une solution pour authentifier et sécuriser les échanges.

VI – Les technologies 5GLAN, TSN et ATSSS

La fonction 5GLAN permet au mobile d’accéder à l’infrastructure IT de l’entreprise à l’instar d’une connexion Ethernet mais sans câble.

L’architecture 5G LAN permet d’avoir des performances de la 5G.

La technologie LAN 5G peut être appliquée pour connecter l’entreprise avec les terminaux mobiles et les terminaux fixes.

La technologie LAN 5G permet à un groupe spécifique d’utilisateurs de communiquer entre eux, ou à un utilisateur spécifique de communiquer avec les utilisateurs du réseau privé existant. Cela permet une gestion de groupe flexible, une communication directe et un accès au cloud d’entreprise à tout moment et n’importe où

La technologie TSN (Time Sensitive Network) permet de synchroniser le mobile à l’infrastructure IT de l’entreprise à travers un pont TSN.

Figure 5 : La fonction TSN AF [4]

ATSSS [7] est une fonctionnalité optionnelle qui peut être supportée par le terminal UE et le coeur de réseau afin de router le trafiv à travers un réseau 3GPP et non 3GPP .
La fonction ATSSS (access traffic steering, switching and splitting) permet l’utilisation simultanée du plan de transport NPN et PLMN à partir des informations fournies par la fonction SMF (éventuellement sous le contrôle du PCF). Les règles ATSSS permettent différentes gestion de trafic :

  • Traffic Steering  : sélectionne un réseau d’accès 3GPP ou non 3GPP pour un nouveau flux de données selon le mode de pilotage souhaité pour équilibrer ou prioriser la charge : veille active, plus petit délai, équilibrage de charge, redondance ou priorité.
  • Traffic Switching : déplace tous les flux de données en cours d’un réseau d’accès à un autre. Ça peut être utilisé assurer la continuité du trafic de données.
  • Traffic Splitting : répartit les flux de trafic de données sur les réseaux d’accès 3GPP et non 3GPP (exemple : agrégation de trafic).

Références

[1] TS 22.263 : 5G service requirements for VIAPA, R.17

[2] https://knowhow.distrelec.com/fr/industrie/votre-entreprise-est-elle-prete-pour-lindustrie-5-0/

[3] https://presse.economie.gouv.fr/download?id=105429&pn=498%20-%20R%C3%A9seaux%20priv%C3%A9s%204G-5G%20%C3%A0%20usages%20industriels,%20r%C3%A9duction%20des%20redevances-pdf

[4] TS 23.501 : System architecture for the 5G System (5GS) Release 18

[5] GSMA –  Private 5G Industrial Networks – https://www.gsma.com/iot/wp-content/uploads/2023/06/GSMA-Private-5G-Industrial-Networks-Report-June-2023.pdf

[6] https://www.linkedin.com/pulse/5g-non-public-network-dharmesh-yadav/

[7] TS 24.193 : Access Traffic Steering, Switching and Splitting (ATSSS)

L’interface radio LTE-M – 1er article

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L’accès radio LTE a initialement été conçu pour optimiser les communications à haut débit (MBB : Mobile BroadBand, mobiles larges bandes) en prenant en compte une mobilité élevée et une latence faible pour le transport des données (10 ms). Les exigences en termes de performances 4G sont encore mesurées à ce jour par le débit maximum et la réduction de la latence sur le plan de transport (UP : User Plane).

Le marché de l’Internet des Objets a longtemps été supporté par le réseau GPRS. Cela s’explique par le faible coût des modems GPRS comparé aux modems 4G. Toutefois, les performances de l’accès radio LTE sont attractives :

  • meilleure efficacité spectrale ;
  • disponibilité de l’interface radio pour du long terme ;
  • couverture globale.

De par ses atouts, une optimisation du lien radio LTE et du cœur réseau (MTC : Machine Type Communication) sont mises en œuvre pour répondre aux spécificités du marché de l’IoT.

Les optimisations portent sur :

  • le contrôle de la congestion et la maximisation de la capacité de la cellule ;
  • la réduction de la signalisation 4G ;
  • l’augmentation de la durée de vie de la batterie ;
  • l’augmentation de la Couverture.

De surcroît, pour devenir compétitif sur le marché de l’IoT, une réduction importante du prix des modems LTE est nécessaire. Dans la Release R.13, l’organisme 3GPP propose une simplification des terminaux en définissant deux nouvelles catégories de terminaux sous l’appellation cat-M1 et cat-NB1.

IV-1) Les améliorations sur l’interface radio

Le réseau d’accès doit pouvoir supporter un très grand nombre de terminaux (mMTC massive MTC) tout en conservant une QoS (Quality Of Service) pour les communications humaines. Pour répondre à cet impératif :

  • des procédures de contrôle de congestion et le paramétrage d’objets tolérants au délai permet d’optimiser le fonctionnement du réseau tout en différenciant la requête de service émise par le terminal UE ;
  • des procédures de réduction de la signalisation permet d’optimiser le plan de signalisation.

De plus, les terminaux IoT doivent obligatoirement avoir une autonomie de plusieurs années, ce qui nécessite de mettre en œuvre des mécanismes de gestion d’énergie (DRX – Discontinuous Reception et PSM – Power Saving Mode) en contrepartie d’une latence élevée (HL Com High Latency Communication).

IV-1-a) Le contrôle de la congestion

La saturation du réseau peut se produire :

  • Au niveau de l’interface radio lorsque de nombreux terminaux se connectent ou tentent de se connecter simultanément vers la même station de base eNB ;
  • Au niveau du cœur réseau EPC (Evolved Packet Network) : la congestion peut se produire au niveau de l’entité MME pour la signalisation ou au niveau des entités SGW/PGW pour le trafic. L’entité MME peut être fortement sollicitée lorsque le nombre de terminaux établissant une communication NAS est élevé. Pour réduire sa charge, l’entité MME contrôle principalement la congestion avec les entités eNB.

Pour gérer de manière sélective la congestion sur l’interface radio, la Release R.10 introduit un indicateur de faible priorité (LAPI : Low Access Priority Indicator) destiné aux terminaux IoT. Cet indicateur est implémenté dans les dispositifs soit au cours de leur fabrication, soit lors du provisionnement via l’interface radio par le mécanisme OTA (Over The Air). Lorsque le terminal fait sa demande de connexion radio, il transmet au cours de la requête RRC_Connection_Request la cause de sa demande (delay tolerant). En cas de saturation de la station de base eNB, celle-ci rejette la demande de connexion en demandant au terminal, dans le message RRC_Connexion_Reject, d’attendre jusqu’à 30 mn avant de refaire une nouvelle demande de connexion radio (Extended Wait Time).

Dans la Release 11 l’entité eNB contrôle la congestion via l’interface LTE-Uu en diffusant un message d’information SIB 14.

Le message diffusé par le SIB14 transporte une information de restriction de cellule (EAB : Extended Access Barring). Ce message est destiné à interdire aux terminaux de faible latence (LAPI) toute demande de requête de service. Afin de prendre connaissance de la modification du SIB14, les terminaux configurés avec l’identifiant LAPI reçoivent une notification par la procédure de paging les informant d’écouter le message d’information SIB14 diffusé par la station de base eNB. La procédure EAB ne concerne donc qu’une partie des terminaux.

Ce nouveau mécanisme offre deux avantages : Le premier avantage est la réduction de la signalisation au niveau de la station de base eNB, le deuxième avantage est une réduction de la puissance consommée par le mobile UE.