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L’IoT – Evolutions R16 et R17

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Introduction

Le standard 3GPP a démarré ses travaux de normalisation pour l’IoT à partir de la R.10 pour définir une liste de spécifications pour les terminaux et le cœur de réseau afin d’éviter la congestion (Extended Access Barring), d’avoir moins d’impact sur les smartphones (LAPI), réduire la complexité (Half Duplex, réduction de la puissance, bande plus petite …), avoir une meilleure sensibilité pour une transmission à faible débit (bande plus petite).

Dans la R.11, la 3GPP propose une méthode de réveil de terminaux et une transmission de données par SMS.

Dans la R.12, la 3GPP propose des optimisations pour la réduction de la consommation énergétique (UEPCOP : mode PSM et eDRX) et une méthode de transmission de données de taille réduite (Small Data)

Figure 1 : Le standard 3GPP R10 à R12 pour l’IoT

Dans la R.13, la 3GPP une optimisation du cœur de réseau pour prendre en charge la transmission de données :

  • dans le plan de contrôle Control-Plane CIoT EPS Optimization ;
  • dans le plan de trafic User-Plane CIoT EPS Optimization.

L’optimisation CP CIoT EPS Optimization propose de transmettre des données dans un message NAS entre l’UE et le MME. Sur l’interface radioélectrique, le message NAS est encapsulé dans un message RRC, lorsque le mobile est à l’état RRC_CONNECTED, c’est-à-dire à la suite de la procédure d’accès aléatoire. Dans l’optimisation CP CIoT EPS Optimization , la mise en sécurité AS n’est pas mise en œuvre, c’est-à-dire la connexion RRC n’est ni chiffrée, ni authentifié (intégrité).

L’optimisation UP CIoT EPS Optimization permet de transmettre des données entre l’UE et le MME lorsque le mobile est à l’état RRC_CONNECTED avec la mise en sécurité AS. Cela suppose que le contexte AS soit conservé au niveau du terminal UE et de la station de base. La R.13 propose une procédure de suspension/reprise de la connexion RRC lorsque le mobile passe de l’état RRC_CONNECTED à l’état RRC_IDLE.

Figure 2 : L’optimisation du coeur de réseau

Sur l’interface LTE, l’optimisation CIoT EPS Optimization permet de transporter les données sur la couche RRC. Le MME peut ensuite transférer les données vers le plan de transport SGW ou l’entité SCEF (Service Capability Exposure Function).

La R.14 introduit les spécifications à mettre en oeuvre pour le 5G MTC.

Figure 3 : Les améliorations proposées de la spécification R.10 à la R.14

La transmission EDT

Pour réduire la signalisation, la transmission EDT (Early Data Transmission [1]) propose de transmettre les données dans un message RRC au cours de la procédure d’accès aléatoire (RACH EDT). On distingue la transmission CP-EDT s’appuyant sur l’optimisation du plan de contrôle CP-EDT (sans chiffrement) de l’optimisation du plan utilisateur UP-EDT (avec chiffrement).

L’inconvénient de la procédure EDT est la transmission du message sur le canal de contrôle commun. Celle-ci est donc interférée par les demande d’accès aléatoire pouvant simultanément avoir lieu sur les mêmes bandes de fréquences.

La transmission UP-EDT est :

    • soit à l’initiative du terminal (Mobile Originated MO-EDT) spécifiée dans la R.15
    • soit à destination du terminal (Mobile Terminated MT-EDT) spécifiée dans la R.16.

La transmission EDT a été proposée dans la R.15 pour optimiser la transmission de messages courts lors de la procédure d’accès aléatoire. Au cours de cette procédure, le mobile reste à l’état RRC_IDLE sans contexte AS (CP EDT – Contol Plane EDT) ou en ayant conservé le contexte AS (UP EDT – User Plane EDT). A l’issue de la demande d’accès aléatoire, la transmission EDT étant finalisée, le mobile rester à l’état RRC_IDLE. Si d’autres données doivent être émises ou reçues, le terminal passe à l’état RRC_CONNECTED.

Dans ce cas, le premier paquet est transmis selon la procédure EDT, les autres paquets seront transmis de manière traditionnel.

La transmission PUR (Preconfigured Uplink Resource) consiste à pré-configurer les ressources du lien montant (UL) au cours d’une première connexion radioélectrique (RRC_CONNECTED). Cela signifie que la transmission PUR nécessite qu’en amont le terminal ait été dans l’état RRC_CONNECTED afin de recevoir la pré-configuration désirée.

La transmission PUR est utilisable par le terminal à l’état RRC_IDLE sans nécessité de procédure d’accès aléatoire mais en ayant conservé un contexte AS et l’allocation UL.

Ensuite, lorsque le mobile est en mode de veille, il peut utiliser les ressources qui lui sont réservées pour transmettre ses données sans avoir à mettre en œuvre la procédure d’accès aléatoire

Sur un cœur de réseau 5GC, la 3GPP propose un nouvel état radioélectrique du mobile nommé RRC_INACTIVE dédié aux terminaux IoT.

Le cœur de réseau 5GC pouvant être connecté à l’interface radioélectrique 4G E-UTRA et 5G-NR, l’état RRC_INACTVE s’appliquera à l’UE sur chacune des interfaces.

La transmission SDT (Small Data Transmission) est une procédure permettant de transmettre des petites quantités de données entre un terminal UE et le cœur de réseau 5GC en passant soit par l’accès radioélectrique 4G E-UTRA ou l’accès radioélectrique 5G-NR lorsque le terminal UE reste à l’état RRC_INACTIVE. La transmission SDT peut se faire sur l’interface E-UTRA comme sur l’interface 5G-NR.

La transmission non SDT correspond à la transmission traditionnelle de données entre un UE et le cœur de réseau 5GC via l’établissement de bearers lorsque l’UE est à l’état RRC_CONNECTED.

La transmission SDT sur l’interface 5G-NR a été introduite dans la spécification R.16 sous le nom NR SDT. La spécification R.17 propose deux technologies nommées RA-SDT (RACH SDT) et CG-SDT (Configured Grant SDT) lorsque le mobile est à l’état RRC_INACTIVE.

Figure 4 : Les types de transmissions IoT sur les réseaux 4G et 5G

[1] Andreas Höglund, Dung Pham Van, Tuomas Tirronen, Olof Liberg, Yutao Sui, and Emre A. Yavuz, “3GPP Release 15 Early Data Transmission”, 2018, IEEE Communications Standards Magazine ( Volume: 2, Issue: 2, JUNE 2018), p90-96, https://doi.org/10.1109/MCOMSTD.2018.1800002

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.

Evolution de l’architecture du réseau 4G pour le M2M : AESE – Part 2

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(Suite de l’article précédent)

2) La procédure de déclenchement

La procédure de déclenchement a été proposée dans la recommandation technique de la release R.10 afin de permettre à un dispositif IoT de répondre à une sollicitation du portail client (SCS). La procédure de déclenchement de dispositif est normalisée dans la release R.11 et nécessite une première phase d’enregistrement de la part du serveur SCS auprès de l’entité SCEF ou MTC-IWF avec comme droit d’émettre des requêtes de réveil (Trigger Request). La phase d’enregistrement a pour but de créer un identifiant de transaction et les droits de requêtes formant ainsi une entrée dans la table de contexte de l’entité MTC-IWF/SCEF à laquelle se rajoute l’identifiant du ou des dispositifs à réveiller. Le dispositif peut s’identifier à partir de son numéro MSISDN, d’un identifiant externe sauvegardé sur le serveur MTC AAA de l’opérateur ou d’un identifiant de groupe.

Dans les spécifications 3GPP de la Release 11, l’entité SCS contacte l’entité MTC-IWF via une requête DIAMETER afin que ce dernier puisse réveiller le dispositif. Lorsque l’entité MTC-IWF reçoit une demande de réveil, il contacte d’abord la base de données HSS (ou le HLR) afin de convertir l’identité publique en une identité interne au réseau opérateur (identifiant IMSI). L’entité HSS/HLR peut éventuellement contacter un serveur d’authentification MTC-AAA pour convertir une identité externe en un numéro IMSI. Si l’identité de l’UE MTC est reconnue, l’entité MTC-IWF récupère les informations de souscription du afin de mettre en relation le portail client SCS avec le dispositif.

L’entité MTC-IWF définit la méthode de réveil la plus adéquate sur le plan de contrôle pour déclencher une mesure au niveau du dispositif à partir des informations suivantes :

  • Les informations actuelles d’accessibilités de l’UE (sur quel réseau l’UE est situé, et sur quel zone) ;
  • Les méthodes de déclenchement de service supporté par le réseau HPLMN ou VPLMN ;
  • Les méthodes de déclenchement supportées par l’UE ;
  • Les politiques de déclenchement de réveil de l’opérateur ;
  • Autres informations reçues de la part du serveur SCS dont potentiellement la localisation du dispositif si celle-ci est connue. La localisation permet d’optimiser le paging à la cellule et non à la zone de localisation TAI (Tracking Area Identifier).

Les méthodes de réveil possible sont :

  • MT SMS. L’UE doit pouvoir reconnaître dans le message un MT SMS provenant du SCS ;
  • Cell Broadcast : La procédure Cell Broadcast permet de réveiller un dispositif UE en émettant des informations sur les SIB portés par le canal balise ;
  • Signalisation NAS ;
  • Messages IMS.

De manière plus explicite, la figure 3 présente le call flow de la procédure de déclenchement. On suppose que le serveur SCS s’est préalablement enregistrée auprès de l’entité MTC-IWF et au cours de la procédure d’enregistrement, le portail client SCS a associé le dispositif UE à réveiller. L’entité SCS connait l’adresse IP de l’entité MTC-IWF, dans le cas contraire, le portail client SCS fait une requête DNS.

La demande de réveil est initialement déclenchée par une API provenant du serveur d’application Client vers l’entité SCS (non présente sur le call-flow). L’entité SCS transmet le message Request Device trigger à l’entité MTC-IWF (éventuellement après une requête DNS) dans la commande DIAMETER DAR (Device Action Request) à travers l’interface Tsp.

Le message DAR contient les informations suivantes (AVP) :

  • Le type de message : Device Trigger Request
  • Le MSISDN ou une identité externe correspondant à l’UE MTC à réveiller
  • L’identité du SCS qui émet la requête.
  • Un numéro de référence de la demande de requête de réveil
  • Les données de Trigger contenant données à transmettre à l’UE MTC lors de la demande de réveil comme :
  • Priorité du trigger
  • L’identification du port de l’application à exécuter au niveau du dispositif
  • Une durée de validité du message de réveil. Un temporisateur est déclenché au niveau du MTC-IWF qui reçoit le message DAR.

Figure 2. Call Flow d’un réveil de dispositif par SMS

L’entité MTC-IWF peut interdire ou autoriser la requête de réveil à partir de l’identité du serveur SCS si le serveur SCS n’est pas reconnu ou si le serveur SCS a dépassé le nombre de requêtes autorisées.

La durée de validité permettra à l’entité MTC-IWF de savoir si le dispositif sera joignable avant la fin du temporisateur. L’entité MTC-IWF aura besoin de connaitre la durée pendant laquelle le dispositif est soit à l’état dormant, soit en mode de veille avant la prochaine écoute de paging (Paging Occasion). Si le dispositif ne peut pas être réveillé pendant la durée de validité du message de réveil, alors l’entité MTC-IWF retourne un rapport d’erreur dans le message DAA.

L’entité MTC-IWF contacte l’entité HSS (éventuellement après une résolution HSS via la fonction de localisation SLF). A la réception de la requête DIAMETER SIR, l’entité HSS réalise les opérations suivantes :

  • Correspondance entre le numéro publique (MSISDN ou identité MTC externe) avec l’identité privée IMSI du dispositif ;
  • Récupère -si le dispositif est enregistré- le nœud de service actuel du dispositif (soit l’entité MME, l’entité SGSN, ou l’entité MSC) ;
  • Vérifie les droits de souscriptions du dispositif en correspondance avec l’identification du serveur SCS pour valider ou non la requête de réveil.

L’entité HSS répond à l’entité MTC-IWF par la requête SIA avec les éléments suivants :

  • Le nœud de service (MSC, SGSN, SGW) actuel du dispositif ;
  • Renvoie le statut du dispositif (UE State Information) permettant de savoir si le dispositif est à l’état connecté, de veille, ou non enregistré (absent). Cette information est apportée par le HSS ;
  • Le ou les mécanismes supportés par le dispositif (information apportée par le HSS) ;
  • Les capacités de services offertes par le réseau de l’opérateur Home (framework implémenté dans le MTC-IWF) et éventuellement par l’opérateur visité en cas de roaming ;
  • Autres informations transmises par le SCS (localisation du dispositif, demande de réveil groupé, …).

A partir des informations reçues, l’entité MTC-IWF sélectionne le mécanisme pour transmettre la requête de réveil au dispositif le plus efficace (SMS, Cell Broadcast, …) et génère un ticket de taxation.

L’entité MTC-IWF sélectionne la méthode SMS pour réveiller le dispositif. Il émet au serveur SMC-SC (SMS Service Center) la requête DTR.

Le message DTR contient :

  • le numéro IMSI du dispositif et éventuellement le MSISDN si le MTC-IWF le connait (si le SCS a donné l’identité MSISDN au MTC-IWF et non un identifiant MTC externe) ;
  • l’identité de l’entité SCS ;
  • l’identité du nœud de service (SGSN, MSC ou MME) si connu ;
  • le statut du dispositif ;
  • le numéro de référence de la demande de requête de réveil ;
  • la durée de validité du message de réveil ;
  • la Priorité du trigger ;
  • l’identification du port d’application du SMS.

Une fois le message DTR reçu, si le dispositif est joignable le centre de service SMS (SMS-SC) n’a pas besoin de contacter l’entité HSS. Il doit néanmoins :

  • vérifier l’identité du dispositif (IMSI ou MSISDN). Si l’UE n’est pas reconnu (DIAMETER_ERROR_USER_UNKNOWN) ;
  • vérifier l’identité du SCS. Si l’identité du SCS n’est pas reconnu (DIAMETER_ERROR_INVALID_SME_ADDRESS) ;
  • Router l’information vers le nœud de service (SGSN, MSC ou MME). Il renvoie alors l’information DIAMETER_SUCCESS à l’entité MTC-IWF.

Si le dispositif est non enregistré (absent), le centre SMS-SC va stocker le message et envoyer une notification à l’entité HSS (SM Message Delivery Status Report) afin que l’entité HSS rajoute l’adresse du centre SMS-SC dans la liste des messages d’attentes. Ainsi, lorsque le terminal MTC UE fera une demande d’attachement, il prendra connaissance du trigger.

Le centre SMS-SC renvoi le résultat de la demande DTR dans le message DTA. Le code de résultat AVP indique si la requête est acceptée (SUCCESS) ou refusée (FAILURE) avec le code d’erreur correspondant :

  • congestion du SMS-SC ;
  • adresse SME non valide ;
  • erreur de protocole SM.

A ce stade, l’entité MCT-IWF acquitte le message DAR par la réponse DAA, ce qui confirme que la demande de réveil a bien été transmise au SMS-SC.

Le message DAA contient :

  • le numéro de référence de la demande de requête de réveil ;
  • l’état du statut de la requête de réveil.

Si la requête est acceptée, le centre SMS-SC envoie le SMS vers le MTC UE et attend la notification de SMS. Cette notification est transférée du SMS-SC vers l’entité MTC-IWF dans le message DIAMETER DRR (Delivery Report Request) et l’entité MTC-IWF répondra au SMS-SC par la réponse DRA (Delivery Report Answer).

Le message DRR transmet le rapport de succès ou d’échec de transfert su Trigger par SMS, il contient les informations suivantes :

  • l’identité IMSI de l’UE et éventuellement le MSISDN ;
  • l’identité du SCS ;
  • le résultat de la requête :
  • Client Absent
  • Mémoire de l’UE remplie
  • Transfert réussi.

L’entité MTC IWF informe l’entité SCS de la réception du SMS de la part de l’UE. L’entité MTC-IWF envoie le message DIAMETER DNR (Device Notification Request) au serveur SCS et attend la réponse DNA (Device Notification Accept)

Le DNR contient les informations suivantes :

  • le MSISDN ou l’identité externe du dispositif ;
  • l’identité du SCS qui a fait la demande de réveil ;
  • le numéro de référence de la demande de requête de réveil ;
  • la réponse à la demande de réveil.

L’entité SCS acquitte la réception de cette requête en répondant par le message DIAMETER DNA.

Enfin, l’entité MTC-IWF répond à la requête DRR émis par le SMS-SC par la réponse DRA, informant ainsi le SMS-SC d’un succès ou d’une erreur sur l’interface T4.

Architecture du réseau M2M

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Cet article est la suite des deux précédents :

  1. http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2019/02/15/iot-blockchain-ia-machine-learning-des-technologies-disruptives/
  2. http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2019/03/18/iot-bigdata-ia-un-monde-100-connecte-pour-les-systemes-cyber-physique-cps/
  • Architecture du réseau M2M

L’architecture générique du réseau M2M a été spécifiée par l’institut ETSI qui a défini les fonctions de bases pour pouvoir échanger des données entre un objet et un serveur. Cette architecture s’appuie sur un ensemble de fonctionnalités logicielles déployées dans un framework.

Le but du framework est de décrire les services qui permettent de gérer l’objet : enregistrement, authentification, récupération des données de manière périodique ou par une méthode de réveil, accessibilité de l’objet, localisation, type de réseau supporté, … Les applications sont réunies dans une bibliothèque logicielle générique prenant en charge l’objet quel que soit le réseau de connectivité, auxquelles se rajoutent des applications spécifiques permettant de gérer les caractéristiques de chaque réseau de connectivité. On parle de Capacité du réseau (ou service capabilities), les fonctionnalités proposées par le réseau d’accès et gérées par le framework.

L’architecture du réseau M2M se décompose en trois parties :

  • Le domaine d’application ;
  • Le domaine des réseaux ;
  • Le domaine des dispositifs ;

Figure 1. L’architecture fonctionnelle du M2M

Le domaine des dispositifs est composé des éléments suivants :

Le domaine des réseaux gère la connectivité de l’objet. Cela suppose l’enregistrement de l’objet, la gestion du plan de transport (établissement d’un tunnel pour la Data),  la gestion de la mobilité, la gestion de la qualité de service et la facturation. Le domaine des réseaux se découpent en trois parties :

  • Réseau d’accès : Il s’agit d’une connexion soit en tout IP via un support en cuivre, un support optique, un lien cellulaire (GPRS, 4G, WiMax), lien satellitaire ou d’une connexion non IP via le réseau GSM ;
  • Cœur réseau : Il fournit les fonctions comme la connectivité (IP ou SMS), les fonctions de contrôle du réseau (qualité de service) et l’autorisation du service demandé ;
  • Les capacités de Service (M2M Service Capabilities). Il fournit les fonctions M2M qui sont offertes aux serveurs d’applications client via des interfaces ouvertes (API) en s’appuyant sur les fonctionnalités du cœur réseau à travers les interfaces normalisées (Gx,Gi) ;

Le domaine d’application est composé :

  • D’un serveur d’application client (AS)
  • D’un portail client qui fournit des fonctionnalités au client.

La première fonctionnalité du portail client consiste à inscrire l’objet  via une interface https. L’étape de provisioning consiste à enregistrer le n-uplet identifiant(s) dispositif(s), clé(s) privée(s) et identifiant(s) applicatif(s)  dans le cœur réseau de l’opérateur. Cette étape est partiellement réalisée par l’opérateur pour le réseau cellulaire et entièrement réalisée par le client dans le cas du réseau LoRa.

Les autres fonctionnalités sont proposées au client par une interface API permettant au client d’accéder à un serveur de données dont le rôle est de stocker les informations fournies par l’objet ou par le réseau. En général le client se connecte via le protocole http (API REST), ou un protocole plus léger comme le protocole MQTT, XAP, XMPP ou COAP. La demande d’accès est contrôlée par un jeton d’authentification (Token) transmis au moment de la requête http. Le client doit donc activer un compte auprès de l’opérateur (lors de la première étape) pour utiliser une ou plusieurs API. Chaque API est associée à un jeton (comme par exemple, l’identifiant APPEUI pour LoRa).

Au niveau du portail client, l’opérateur dispose en plus :

  • d’outils de supervision du réseau et des sauvegardes de logs ;
  • des bases de données contenant les informations de souscriptions de chaque client : identité et clé privée de chaque objet pouvant s’enregistrer sur le réseau ainsi que les règles à appliquer pour chaque objet et les droits (les jetons d’authentification) ;
  • d’un serveur de facturation et de gestion de la politique des droits;

IoT, Blockchain, IA, machine learning : Des technologies disruptives?

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Les évolutions technologiques récentes vont apporter des changements profonds dans les domaines de la santé, de la logistique, le transport, l’énergie, l’agriculture, …

Si le déploiement de l’IoT (Internet of Things) destiné à collecter un ensemble d’informations constitue la première brique de cette évolution, la plus-value de cette transversalité numérique ne peut être obtenue qu’en garantissant la sécurisation des données collectées et le traitement efficace de ces données.

En cela, la technologie Blockchain s’insère dans l’écosystème de l’IoT en apportant un stockage des données, en assurant le transport sécurisé des données échangées et en permettant la traçabilité des données.

Quant aux traitements des données, l’intelligence artificielle (IA) permet de les valoriser et de les traduire en informations exploitables facilitant ainsi l’analyse décisionnelle des systèmes complexes. De surcroît, les méthodes d’apprentissages autonomes (Machine Learning) permettent également de classifier les données et d’apporter des outils de prédictions des pannes.

Les applications IA pourraient être mise en œuvre sur des lames de serveurs au plus proches des données collectées (MEC : Mobile Edge Computing).

Ainsi, les secteurs de la santé (capteurs et IA pour détecter l’évolution des maladies), du transport (véhicules autonomes), des chaînes d’approvisionnement (réparation des chaînes de production avant la cassure des pièces usées, l’approvisionnement en flux tendus), de l’énergie (délestages des sites industriels en assurant un transport de l’énergie au plus proche) seront impactés par la complémentarité de ces technologies disruptives.

Dans ces écosystèmes de plus en plus complexes, la donnée reste l’élément fondamental et le premier maillon d’une nouvelle ère économique. Les cabinets d’analystes estiment une évolution constante du marché des capteurs de l’IoT pour atteindre une centaine de milliards de dollars d’ici 2023 et une croissance du taux actuariel (CAGR – Compound annual growth rate) de 13%.

SigFox est le premier opérateur à s’être positionné sur le marché de la transmission sans fil des données issues des capteurs en déployant le réseau de transmission longue portée à basse consommation (LPWAN : LoW Power WAN).  Ce réseau LPWAN répond à la demande des compteurs intelligents (smart-meters, compteur d’eau, compteur de gaz), à la gestion des villes (smart-city) pour lesquels la communication est à latence élevée.

Aujourd’hui, l’opérateur Télécom SigFox est concurrencé par l’opérateur QoWiSio, l’opérateur Américain Ingénu, et l’alliance LoRaWAN avec le déploiement de LoRa par les opérateurs télécoms historiques.

Le réseau cellulaire 4G se positionne également sur ce secteur en étendant ses fonctionnalités pour répondre à l’émergence du marché de l’Internet des Objets. Ce réseau dédié aux communications Machine à Machine (MTC – Machine Type Communication) est destiné à devenir le premier réseau cellulaire LPWAN (Low Power WAN). Le premier avantage est de pouvoir rapidement apporter une couverture mondiale avec optionnellement une qualité de service.

L’IoT cellulaire (par son réseau d’accès NB-IoT, LTE-M et prochainement 5G NR) devrait connaître la plus forte croissance avec en point de mire, entre 10 000 et 100 000 objets connectés sous la couverture d’une seule station de base. Orange a ouvert son réseau LTE-M en novembre 2018, comme annoncé dans un précédent article traitant du cellular IoT.

Le réseau 5G quant à lui va permettre d’apporter de nouvelles solutions pour les communications M2M à temps réel (missions critiques URLLC : Ultra Reliable Low Latency Communication) pour répondre au besoin du secteur de l’automobile et de l’industrie (IIoT – Industrial IoT).

Le laboratoire LIAS s’intéresse à ces différentes technologies notamment comme application visée (de manière non exhaustive) le smart-grid, le secteur du transport,…

Dans les prochains articles je reviendrai plus particulièrement sur le MTC (réseau 4G).

Il est à rappeler que ces métiers s’adressent aux femmes et aux hommes, je vous invite à consulter le site femmes-numérique.fr

Blockchain, intelligence artificielle, big data, cyber sécurité, objets connectés, cloud…

 

L’initiative

 

MTC : Le réseau M2M / IoT sur la 4G – 2ème partie

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Au cours de l’article précédent, nous avions évoqué les évolutions du réseau 4G vers le MTC. Cette évolution est une brique de base pour le réseau 5G et les fonctionnalités que nous avions décrites sont les 4 suivantes :
• control plane CIoT EPS optimization
• user plane CIoT EPS optimization
• EMM-REGISTERED without PDN connection
• S1-U data transfer and header compression

(Je vais reprendre la notation de l’article précédent)
II-3-a) Control plane CIoT EPS optimisation
C-Plane CIoT EPS Optimization est une méthode destinée à encapsuler les données utilisateurs dans les messages du plan de contrôle. En évitant de mettre en place de la signalisation pour rétablir les bearer, cette méthode permet de réduire le nombre de message sur le plan de contrôle lorsque les données à transmettre sont de petites tailles et par conséquent, on réduit la bande utilisée et la consommation du dispositif.
Les fonctionnalités supportées par cette méthode sont :
• Transport de données utilisateurs (IP et Non IP)
• Point d’ancrage de la mobilité du dispositif
• Compression d’entête pour les flux IP
• Protection par intégrité et chiffrement de la Data transmise dans le plan de contrôle
• Interception légale.
Cette méthode s’appuie sur le MME, ce dernier est considéré comme un nœud de transfert de données et l’eNb est vu comme un relai :
• entre l’UE et le PGW (connectivité PDN : UE -> eNb -> MME -> SGW -> PGW) en utilisant les protocoles de signalisation (S1-AP et GTP-C)
• ou entre l’UE et l’entité SCEF (connectivité PDN : UE -> eNb -> MME -> SCEF).

Si l’UE a un stack IP, les données sont transmises en IP de l’UE vers le PGW.

Figure 5a : Control plane IP DATA

Si l’UE ne contient pas de stack IP (NIDD), les données sont transmises au MME via le protocole S1-AP et envoyées soit vers le PGW soit vers le SCEF. Lorsque l’UE fait une demande de connexion vers l’AS en non IP, l’UE indique l’APN  de passerelle. Le choix de la connectivité PDN entre le PGW et le SCEF est défini au niveau du HSS dans la donnée de souscription APN.

Le profil du device au niveau du HSS indique l’APN que doit utiliser le dispositif pour transmettre des données non IP. L’APN route les messages vers le PGW ou vers le SCEF.

On considère ici que l’APN renvoie vers le PGW.

Lorsque l’UE fait une demande d’attachement, il indique :

  • Qu’il souhaite une connection PDN non IP
  • Le réseau utilise l’APN fourni par l’UE ou l’APN contenu dans le profil de l’UE au niveau du HSS et transmis au MME
  • Le PGW donne à l’UE la taille maximale autorisée des paquets (qui peut etre de 128 octets)
  • Les paquets non IP sont transmis via le plan de contrôle par des messages NAS

 

Figure 5b : Control plane Non IP DATA vers le SGW

 

Connection non IP via le SCEF

Dans les deux cas, l’UE émet une demande de transmission de données via la procédure RRC SERVICE REQUEST en encapsulant le message ESM DATA TRANSPORT (message NAS entre l’UE et le MME via l’eNb en relais). Dans le cas précis ou l’UE ne contient pas de stack IP, il informe le MME qu’il souhaite établir une connexion PDN non IP.

Dans le cas de données entrantes :

  • Les données peuvent être bufferisées dans le SGW lequel transmet un message de notification « Downlink Data Notification Message » au C-SGN. Le C-SGN répond au SGW en indiquant le temps restant avant que le device soit joignable (PSM Mode). Cela permet au SGW d’étendre le temps pendant lequel le message sera conservé.
  • Les données peuvent être bufférisées dans le SCEF

 

II-3-b) User plane CIoT EPS optimisation

Dans le cas ou l’UE supporte l’optimisation sur le plan de données (User Plane CIoT EPS Optimization), il doit obligatoirement supporter la méthode S1-U Data transfer. Ainsi,  les données sont transmises via l’interface S1-U, c’est-à-dire entre l’eNb et le SGW.

L’optimisation User plane CIoT EPS optimisation est apportée par une amélioration du contrôle de bearer et par de nouveaux messages RRC ainsi que de nouveaux états RRC permettant un établissement de bearer plus rapide et plus efficace.

 

Les nouveaux états RRC sont : RRC-Suspend et RRC-Resume.

  • Procédure RRC Suspend. Cette procédure est activée par l’eNb permet de libérer le bearer radio entre l’eNb et le device, ainsi que le bearer S1 entre l’eNb et le SGW. Au niveau du SGW, cela supprime dans la table de contexte le numéro d’identifiant TEID du flux et l’adresse IP du eNb mais les autres informations sont conservées (QoS, clé de sécurité,…). Le MME conserve les informations de la connexion S1-AP et du bearer, place le device dans l’état ECM-Idle et répond à l’eNB de la libération du bearer par le message UE Context Suspend response. Le eNB conserve le contexte mais transmet à l’UE le message « RRC Connection Suspend ». Le device conserve les informations AS (clé de sécurité, information sur le flux de trafic) et se met en état ECM-Idle et RRC-Idle
  • Procédude RRC Resume permet de ré-activer les états qui ont été sauvegardés au niveau du device, de l’eNb et du MME. Dans un premier temps, le device récupère les informations de la couche AS et contacte l’eNB. Ce dernier accomplit une vérification de la sécurité pour ré-établir le bearer radio. L’eNB informe le MME par le message « UE Context Resume Request » de la ré-activation du bearer radio. Le MME récupère le profil du S1-AP et place le device dans l’état ECM-Connected. Il retourne vers l’eNb une confirmation « UE REsume Context Response » contenant l’adresse IP du SGW et le MME envoie l’adresse du eNb et le TEID du eNB (informations S1-AP conservées) vers le SGW.

Figure 6 : Messages RRC reprendre ou suspendre un contexte

 

Figure 7 : Call Flow

Pendant l’état RRC-Suspend, le device n’a plus de connexion radio. Il peut de plus être en mode eDRX, donc en cas de mobilité il ne détecte pas le changement d’eNB. Lorsque le device exécutera la procédure RRC Resume vers le nouvel eNb, celui-ci va demander à l’ancien eNb de lui transférer les informations AS. L’ancien eNb en profite pour supprimer le contexte (clé de sécurite, …). Le nouveau eNb crée un TEID, informe le MME lequel transfère le nouveau TEID et l’adresse du nouvel eNb vers le SGW.

De plus, cette méthode permet aussi de transférer des données non IP entre le SGW et le PGW

II-3-c) EMM-REGISTERED without PDN connection

Lors de la procédure d’attachement, l’UE informe le MME qu’il peut être dans l’état EMM-REGISTERED without PDN connection par le message “attachwithoutPDN Connectivity”. Classiquement, un smartphone (Human UE) émet dans la requête EMM d’attachement  un message ESM pour définir les caractéristiques du bearer par défaut. Dans le cas qui nous intéresse, le message ESM PDN CONNECTIVITY REQUEST est remplacé par le message ESM DUTY MESSAGE, l’UE reste connecté au réseau (EPS attached) même si toutes les connexions PDN ont été libérées. On se retrouve donc dans le cas 3G ou le contexte de l’UE n’existe pas au niveau des entités du réseau.

Remarque : « EMM-REGISTERED without PDN connection » à la même signification que « EPS attach without PDN connectivity

Lorsque le dispositif s’allume, avant d’émettre sa demande d’attachement, il lit le SIB2 transmis par l’eNb pour savoir vérifier la compatibilité de la cellule. Si le MME ne supporte pas l’état « EMM-REGISTERED without PDN connection » alors l’UE établie un bearer par défaut. Lorsque l’UE souhaitera émettre des données, un bearer EPS par défaut sera mis en place sauf si l’UE indique une méthode de transmission, par exemple SMS seulement, lors de son attachement.

II-3-d) S1-U data transfer and header compression

L’UE qui supporte le User Plane Optimisation EPS doit supporter le S1-U data transfer afin de transmettre les données sur le plan utilisateur.

On suppose maintenant que l’UE et le MME supporte à la fois la fonctionnalité S1-U data transfer et la fonctionnalité Control Plane EPS Optimization pour encapsuler la DATA entre le CN et l’UE dans des messages NAS

Lorsque le MME reçoit une requête de connexion PDN, le MME détermine la quantité de données à transmettre sur le lien UL et DL et décide ainsi si les données doivent être transmises sur le plan de contrôle ou sur le plan utilisateur. Il vérifie également si l’UE peut supporter

 

Figure 8 :  Etablissement du S1-U bearer pendant le transport de données dans le plan de Controle

1 – L’UE transmet/reçoit des données dans le plan de control (Control Plane CIoT EPS Optimisation).

2 –3 L’UE reçoit une réponse pour faire une demande d’établissement de bearer dans le plan utilisateur (User Plane Bearer). Dans ce cas, l’UE envoie un message NAS vers le MME. Le message est encapsulé dans un message RRC-Service Request émis au eNb, et un message S1-AP UL entre le eNb et MME. De manière classique, le message contient les informations suivantes :

  • NAS message
  • TAI+ECGI de la cellule sur laquelle l’UE est en communication
  • S-TMSI
  • CSG ID (si la cellule sur laquelle est connectée le mobile est une cellule CSG)
  • CSG access Mode

4 – Le MME fait le transfert des données transmises sur le plan de signalisation vers le bearer

Dans le prochain article, nous décrirons certaines procédures et protocoles