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L’interface DECT-2020 NR

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I) Les applications visées par le DECT-2020-NR 

L’interface radio 5G NR+ ou DECT-2020 NR utilise les principes du DECT ULE et s’intègre avec le cœur de réseau 5G. La 5G NR+ est donc une évolution de la 5G radio non cellulaire. L’objectif de cette nouvelle interface est d’apporter une autre solution que la 5G licenciée pour les applications suivantes :

  • DECT
  • Audio Professionnels (spectacles, évènementiels) – figure 1
  • IoT – Smartgrid et Compteur intelligent
  • BIM (batiment)

Figure 1 : Applications pour l’audio professionnels

La technologie DECT NR+ est conçue pour les applications de type mMTC et URLLC.

Le DECT-2020-NR s’appuie sur la modulation OFDM avec un préfixe cyclique (CP-OFDM). Le partage d’accès se fait en TDMA/FDMA dans un duplexage en temps (TDD).

A l’instar de l’interface 5G –NR, la trame est de 10 ms et l’espacement entre sous porteuses OFDM est définie selon une numérologie de 0, 1, 2, 4 et 8. Pour être compatible avec le DECT, la durée d’un slot est de 0,41677 ms. L’espacement entre sous porteuses pour la numérologie 1 est de 27 kHz.

II) Les topologies réseaux : Simple cellule, multi-cellules et MESH

Les terminaux radios peuvent communiquer en point à point ou en point à multipoints.

On définit deux modes opérationnels de connexions :

  • Le mode de connexion fixe FT (Fixed Termination Point) pour lequel le dispositif radio (RD) initie l’allocation des ressources radios locales et transmet les informations (voie balise) aux autres dispositifs radio à l’écoute de la balise. Le dispositif radio en mode FT prendrai une partie des fonctions de la station de base en 5G
  • Le mode de connexion PT (Portable Termination Point) permet à un dispositif radio de s’associer avec un autre RD qui fonctionne en mode FT

Un dispositif radio peut fonctionner en mode PT uniquement, FT uniquement ou dans les deux modes.

Une topologie réseau implique par conséquent des RD qui fonctionnent en mode FT et en mode PT.  Le type de réseau peut être de topologie à une seule station de base (un seul RD en mode FT) ou à plusieurs stations de base (plusieurs RD en mode FT)

Chaque RD apporte une couverture radio sur sa zone de couverture et peuvent se déplacement d’une aire de couverture vers une autre aire.

La topologie MESH est également supportée pour les applications mMTC. En effet, un RD pouvant fonctionner dans les deux modes FT et PT devient un nœud intermédiaire. Ce nœud apportant une latence plus importante, cette topologie n’est pas adaptée pour les services URLLC. L’intérêt principal est la réduction de la consommation énergétique sur le lien global (entre le dispositif émettant et le dispositif récepteur).

Le routage de la topologie MESH est basée sur une optimisation du cout (minimum de saut) tout en maintenant une connectivité entre les nœuds. La décision de routage est distribuée au niveau de chaque RD à partir des ressources radio.

III) Le routage MESH

Un réseau maillé DECT-NR est un réseau dans lequel les dispositifs radios sont connectés de telle sorte qu’au moins certains, et parfois tous, aient des chemins multiples vers d’autres nœuds. Les connexions multiples augmentent la résilience du réseau.

La topologie MESH nécessite donc un routage dynamique au niveau de chaque nœud afin de définir le prochain nœud. La création d’un cluster suit les étapes suivantes :

  • Définition des RD qui ont un accès à Internet : RD en mode FT émet cette information sur une fréquence balise. Cela permet aux autres RD de s’associer à ce dernier pour un accès extérieur. L’information balise contient de plus l’allocation des ressources radios
  • Chaque RD évalue la connexion radio en fonction de la puissance de réception de la voie balise (RSRI) et chaque RD décide s’il est RD FT ou RD FT et PT avec ses voisins.

Figure 2 : Mise en place du réseau MESH [1]

Dans le cas ou un RD détecte plusieurs voies balises dont le niveau de RSSI est suffisant pour une communication bidirectionnelle, le RD définit chaque RD comme prochain nœud potentiel et choisit le RD en fonction du critère de cout de routage. Ce critère est laissé libre à l’équipementier mais peut dépendre d’une réduction du nombre de nœud, du maximum de la capacité, ou du minimum d’erreurs paquets, ou de l’énergie disponible pour le prochain nœud.

A l’issu de la procédure d’association, chaque RD est en mesure de transmettre vers le prochain nœud, chaque nœud étant identifié par une adresse RD ID de 32 bits.

IV) La couche radio

La trame radio a une durée de 10 ms découpée en slot de 0,41677 ms. Chaque slot contient 10 ou 20 ou 40 ou 80 symboles.

La couche radio utilise la modulation OFDM avec un espacement entre sous porteuses (SCS) de 27 kHz (µ=1), 54 kHz (µ=2), 108 kHz (µ=4) ou 216 kHz (µ=16).

  • Pour µ=1, la trame est composée de 10 slots.
  • Pour µ=2, la trame est composée de 20 slots.

La largeur de bande dépend du facteur β et vaut 64* β*SCS. β prend pour valeur 1, 2 , 4, 8, 12 et 16

  • Si µ=1 et β =1, on utilise une IFFT de tailles 64 soit 1728 MHz. La fréquence d’échantillonnage est de 1/1728 ms soit 5,787 10-7s
  • Si µ=2 et β =1, on utilise une IFFT de tailles 64 soit 3456 MHz. La fréquence d’échantillonnage est de 1/3456 ms soit 2,893 10-7s
  • Si µ=1 et β =2, on utilise une IFFT de tailles 128 soit 3456 MHz. La fréquence d’échantillonnage est de 1/3456 ms soit 2,893 10-7s

 

La fréquence porteuse est définie dans une bande comprise entre 450 MHz et 5875 MHz.

La couche physique réalise les fonctions suivantes :

  • Détection d’erreurs CRC
  • Codage canal par un Turbo code
  • Algorithme HARQ
  • Adaptation de débit
  • Correspondance des canaux physique sur le canal radio
  • Modulation / démodulation (BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM et 1024-QAM)
  • Mesures radios
  • Diversité de transmission MISO/SIMO/MIMO

IV) Le cœur de réseau

L’interface DECT-2020-NR est une interface radio non cellulaire. Comme les points d’accès WiFi, le RD FT est connecté au cœur de réseau 5G via la fonction N3IWF.

Figure 3 : Interconnexion avec le cœur de réseau 5G

Le dispositif radio RD PT et la station de base RD FT contiennent respectivement le stack 5G NAS et NGAP afin de pouvoir communiquer avec la fonction AMF.

Références :

[1] TS 103.636-1, V1.3.1, DECT-2020 New Radio Part 1: Overview https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/103600_103699/10363601/01.03.01_60/ts_10363601v010301p.pdf

Les informations UCI portées par le canal PUCCH

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Canal PUCCH et les données UCI

Le mobile UE (User Equipment) émet vers la station de base des informations de contrôle (du lien montant) UCI (Uplink Control Information) parmi la liste suivante :

  • ACK/NAK confirmant ou non la bonne réception du message descendant précédent
  • Le rapport de mesure CSI (Channel State Information) permettant à la station de base d’adapter le mode de transmission et le schéma de modulation et de codage MCS (Modulation Coding Scheme) à partir de l’indicateur CQI (Channel Quality Indicatot), le rang de la matrice de transmission RI (Rank Indicator) et le rang du code pour le précodage PMI (Pre-coding Matrix Indicator) estimé par le mobile.
  • SR (Scheduling Request) pour une demande de transmission de données en UL.

Ces informations de contrôle sont portées en général par le canal physique PUCCH (Physical Uplink Control Channel), mais elles peuvent être transmises par le canal physique PUSCH si celui-ci est présent.

Selon la taille des informations de contrôle UCI à transmettre,le canal PUCCH est défini parmi l’un des 4 différents formats suivant (format de contrôle 0 à 4) :

Figure 1 : Le canal PUCCH et les différents formats

Le format permet de spécifier la taille du message, le codage canal, le type de modulation et le multiplexage avec le signal de référence DMRS si possible : les formats 1 et 4 autorisent le multiplexage de l’UCI avec le signal de référence DMRS dans le PRB afin d’améliorer la démodulation (détection synchrone). Le format 0 ne met pas en œuvre de détection synchrone, car le gain de démodulation n’est pas suffisamment important.

Les formats 0 et 2 sont nommés format courts (SHORT PUCCH) car ils n’occupent qu’un seul ou deux symbole OFDM (soit 12 à 24 éléments de ressources), en général sur le dernier ou les deux derniers symboles d’un slot.

Les formats 1, 3 et 4 sont nommés format long car ils occupent 4 à 14 symboles OFDM. Un format long est utilisé pour des informations de tailles importantes ou par répétition pour améliorer la couverture (exemple format 1).

Figure 2 : La transmission du canal PUCCH court/long sur l’interface NR

Au niveau de l’interface LTE, le canal PUCCH est transmis dans les bandes de fréquences PRB extrêmes permettant une diversité sur les fréquences hautes/basses et une diversité temporelle au niveau des slots.

Au niveau de l’interface NR, le format PUCCH court est transmis sur un ou deux symboles dans un slot et le format PUCCH long sur 4 à 14 symboles du slot (figure 2).

Avant d’être transmis sur le bloc physique de ressource PRB, les informations de contrôles UCI sont modulées par une chaîne de transmission comprenant :

  • un générateur de séquence de longueur 12 basé sur l’algorithme de Zadoff-Chu.
  • une modulation (formats 1,2,3 et 4) ;
  • un code DFT d’embrouillage (formats 2,3,4).

Figure 3 : Chaine de traitement de l’information de contrôle UCI (Source Matlab 1)

Le codage canal est un codage :

  • De répétition si la taille de l’UCI est de 1 bit;
  • Code correcteurs linéaires : code simplexe (taille de 2 bits) ou Reed Muller (Taille de 3 à 11 bits) ;
  • Code polaire (taille > 11 bis).

La chaîne de transmission est codée par :

  • Une séquence de Zadoff Chu (générateur de séquence s) ;
  • Un déphasage cyclique v ;
  • Un code orthogonal OCC (Orthogonal Cover Code) w.

Figure 4 : Illustration de la chaîne de transmission du canal PUCCH

  • PUCCH Format 0

Le PUCCH format 0 est configuré sur 1 ou deux symboles OFDM dans un slot et dans un seul PRB. L’information portée par le format 0 (PF0) est soit un acquittement HARQ-ACK soit un bit SR ou les deux. Ainsi, un ou deux bits d’informations sont à transmettre ce qui définit une variable mcs qui vaut, selon le codage de gray :

  • mcs =0 pour le bit 0 ou mcs =6 pour le bit 1
  • mcs =0 pour les bits (00), mcs =3 pour les bits (01), mcs =6 pour les bits (11) et mcs =9 pour les bits (10)

Le générateur de séquence émet une séquence de Zadoff-Chu de longueur 12, initialisée par la valeur NID de la cellule.

Afin de permettre un multiplexage entre plusieurs terminaux, la séquence de zadoff-chu est affectée d’un décalage cyclique m0 dont la valeur est configurée entre 0 et 11. Cette séquence est nommée low PAPR et le décalage cyclique m0 est défini par un message de configuration dédié RRC via le paramètre InitialCyclicShift dans la configuration PUCCH-Config IE> PUCCH-Resource > PUCCH-Format 0 (TS 38.311) par BWP :

Ainsi, la séquence émise est un décalage en fréquence de valeur (m0 + mcs).

L’information UCI pour les transmissions URLLC utilisent de préférence le PF0 (PUCCH Format 0).

  • Le canal PUCCH Format 1

Le canal PUCCH de format 1 transporte 1 à 2 bits UCI (HARQ-ACK et/ou SR) et est étalé sur 4 à 14 symboles permettant le multiplexage par code pour transmettre plusieurs acquittements de mobiles différents. Le signal UCI est codé par un code orthogonal OCC (Orthogonal Cover Code).

La modulation utilisée est soit la modulation BPSK (1 bit) ou QPSK (2 bits) et est multipliée par la même séquence de Zadoff-Chu de longueur 12. Un décalage cyclique m0 dont la valeur est configurée entre 0 et 11 est utilisé en plus du codage OCC (de longueur 2 ou 4) afin d’augmenter le nombre de terminaux qui émettent simultanément leur acquittement.

La détection cohérente apporte un gain au niveau de la réception du format long. La séquence DMRS est générée pour avoir un faible PAPR et un décalage en fréquence est appliqué.

Deux motifs de transmissions sont supportés :

  • Motif d’extension ou le signal de référence DMRS et l’information UCI sont entrelacés ;
  • Méthode de perforation (puncturing) ou le signal de référence DMRS est au milieu du slot.

Figure 6 : Les motifs pour le canal PUCCH format 1

  • Le canal PUCCH Format 2

Le canal PUCCH de format 2 est un format court qui est utilisé pour transporter une quantité d’informations plus importantes que le PUCCH de format 0 ou 1 (CSI, ou plus que deux acquittement HARQ-ACK, par exemple dans le cas d’agrégation de porteuses). Plusieurs blocs de ressources PRB peuvent être utilisés pour des charges de données importantes, toutefois si le mobile doit acquitter plusieurs HARQ et qu’il n’est pas possible d’allouer assez de ressource radioélectrique, alors la priorité est donnée pour l’acquittement au dépend du rapport CSI.

Le codage utilisé est le code linéaire Reed-Muller pour une charge utile de 11 bits ou le code polaire au-delà avec l’ajout d’une entête CRC. Le signal est ensuite embrouillé par l’identité du terminal C-RNTI puis modulé en QPSK.

Plusieurs motifs de multiplexages en forme de peigne du signal DMRS et UCI sont proposées avec un rendement de ½, 1/3 ou ¼ comme le montre la figure 7 (sur le dernier symbole comme c’est le cas pour les formats PUCCH court).

Figure 7 : Les motifs pour le canal PUCCH format 2

  • Le canal PUCCH Format 3

Le PUCCH format 3 est au PUCCH format 2 ce que le PUCCH format 1 est au PUCCH format 0. On a ainsi les mêmes caractéristiques que le PUCCH format 2 en transmettant sur 4 à 14 symboles (PUCCH format long).

La position du signal de référence peut exploiter le saut de fréquence (frequency hopping).

  • Le canal PUCCH Format 4

Le PUCCH de format 4 est similaire au PUCCH de format 3 en ajoutant les codes OCC pour augmenter le nombre de transmission simultanées.

 

 

[1] Source Matlab : https://www.youtube.com/watch?v=Tc_ECMWSH30

[2] https://rfmw.em.keysight.com/wireless/helpfiles/89600B/WebHelp/Subsystems/newradio/content/newradio_dlg_config_pucch.htm

[3] https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/138200_138299/138213/15.06.00_60/ts_138213v150600p.pdf

[4] https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/138300_138399/138331/15.03.00_60/ts_138331v150300p.pdf

 

 

 

Part 1 : Interface Radioélectrique 5G – Trames, numérologies et allocation de ressources

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Extrait du livre : NG-RAN et 5G-NR : L’accès radio 5G et l’interface radioélectrique – sortie prévue juillet 2021

A l’instar de la 4G, l’interface radioélectrique 5G-NR utilise la modulation OFDM puisque celle-ci se révèle être la plus efficace dans le cas des transmissions multi-trajets (propagation en champs libre).

La modulation OFDM est une modulation multi-porteuses orthogonales, elle transmet un bloc de données binaires sur un grand nombre de porteuses en même temps. On définit ainsi le domaine fréquentiel de la transmission 5G par la largeur de sa bande de fréquence, c’est-à-dire par le nombre de sous-porteuses utilisées multiplié par l’espacement entre sous-porteuses.

L’orthogonalité se traduit par la durée de la transmission d’un symbole qui est inversement proportionnelle à l’espacement entre sous-porteuses. Ainsi, si les sous-porteuses sont espacées de 15 kHz, la durée de la transmission d’un symbole est de 66,67 µs (1/15 kHz).

Figure 1 : La transmission OFDM

Le bloc de données à transmettre est une suite binaire. La modulation OFDM permet de faire une modulation M-QAM sur chacune des porteuses.

A titre d’exemple, pour une modulation 64-QAM, 6 bits sont modulés par sous-porteuse. Les 6 bits forment un symbole.

Une station de base 5G peut moduler au plus 3300 sous-porteuses. Si les sous-porteuses sont espacées de 30 kHz alors la largeur de bande 5G est de 99 MHz et la durée d’un symbole est de 33,33 µs.

Ainsi, si la station de base transmet le bloc de données sur 3300 sous-porteuses simultanément, alors dans le cas d’une modulation 64-QAM, la station de base gNB pourrait potentiellement transmettre 3300*6 = 19 800 bits pendant la durée d’un symbole de 33,33 µs.

Si le bloc de données à transmettre est supérieur à 19 800 bits, alors la station de base va émettre les bits restants sur le(s) symbole(s) suivant(s) (33,33 µs suivante).

La modulation OFDM est donc une modulation qui exploite le domaine fréquentiel (nombre de sous-porteuses) et le domaine temporelle (durée d’un symbole).

Pour la 5G, on définit :

  • dans le domaine fréquentiel, un bloc de ressource RB (Resource Bloc) qui correspond à 12 sous-porteuses contiguës ;
  • dans le domaine temporel, un slot correspond à 14 symboles consécutifs.

Afin d’organiser la transmission de données, et synchroniser les récepteurs, les transmissions en liaison descendante et montante sont organisées en trames d’une durée de 10 ms, chacune est découpée en dix sous-trames de 1 ms. Chaque trame est divisée en deux demi-trames de taille égale à cinq sous-trames :

  • la demi-trame 0 est composée des sous-trames 0 à 4 ;
  • la demi-trame 1 est composée des sous-trames 5 à 9.

Pour l’interface LTE, la sous-trame est composée de deux intervalles de temps (slot). Attention, la notion de slot en 4G est différente de la notion de slot en 5G : un slot LTE correspond à 7 symboles OFDM consécutifs (trame normale) de durée 0,5 ms. La valeur de l’intervalle de temps de transmission 4G-TTI (Transmission Time Interval) correspond à la durée de la sous-trame et a une valeur fixe égale à 1 ms car l’espacement entre sous-porteuse est de 15 kHz.

Pour l’interface NR, le slot est composé de 14 symboles OFDM consécutifs (trame normale).  La valeur de l’intervalle de temps de transmission 5G-TTI correspond à la durée d’un slot. La valeur 5G-TTI dépend de l’espacement entre les sous-porteuses (tableau 1).

Tableau 1 : La structure de la trame temporelle

L’espacement entre sous-porteuses SCS (SubCarrier Spacing) est défini par la formulation suivante :

SCS=2µ*15 kHz, avec µ la numérologie.

Si µ=0, l’espacement est de 15 kHz, si µ=1 l’espacement est de 30 kHz, … Dans la suite, on parlera de numérologie.

1) La grille de ressources

 

Figure 2 : La grille de ressources

Un élément de ressource RE (Resource Element) constitue la plus petite unité pouvant être attribuée à un signal de référence (figure 1). L’élément de ressource RE correspond à un symbole OFDM dans le domaine temporel, et à une sous-porteuse dans le domaine fréquentiel. Il est ainsi repéré par la paire (k,l), k représentant l’indice de la sous-porteuse et l, l’indice du symbole OFDM dans le domaine temporel par rapport à un point de référence relatif.

Le bloc de ressource RB (Resource Block) correspond à une allocation de N=12 sous-porteuses contiguës (figure 1). A la différence de la 4G, le bloc de ressource RB 5G correspond à une allocation fréquentielle.

La grille de ressources est une allocation de ressources tempo-fréquentielles correspondant aux ressources d’un port d’antenne. Elle est constituée d’un ensemble de symboles par sous-trame (cf. tableau 2) dans l’espace temporel et d’un ensemble de sous-porteuses contiguës dans le domaine fréquentiel. La grille de ressources est composée d’au plus 3300 sous-porteuses et elle est transmise sur chaque sens de transmission et sur chaque port d’antenne.

Table 2 : Numérologie et nombre de symboles par sous-trame

Pour mieux comprendre la table 2, nous allons présenter la numérologie dans le domaine temporel sur la figure 3.

Figure 3 : La trame temporelle 5G-NR

Une trame 5G est définie par une durée de 10 ms. La trame 5G est découpée en 10 sous-trames d’une ms. Chaque sous-trame est composé de slots. Le nombre de slot par sous-trame dépend de l’espacement entre sous-porteuses (table 2 : numérologie).

 

[0] Extrait du livre : NG-RAN et 5G-NR : L’accès radio 5G et l’interface radioélectrique

Double Connectivité (DC – Dual Connectivity) 4G/5G – 3ème article

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Pour continuer l’étude de la double connexion, je vous propose un call-flow. Ce call Flow termine l’étude de la Double connexion.

Le document est une lecture de la norme (Spécification 3GPP 38.912) dans un contexte ou les équipementiers testent leurs solutions. Mettez en doute chacune de mes affirmations, et n’hésitez pas à me corriger si vous détectez des erreurs.

Je me suis aussi inspiré du blog de Martin SAUTER : https://blog.wirelessmoves.com/2018/08/5g-en-dc-lets-talk-about-signaling-srb1-2-srb-3-split-srb.html

2-3) Call Flow – EN-DC NSA : Split-Bearer option 3X (Création d’un support entre le cœur réseau 4G (EPC) et une station de base en-SgNB)

Le call flow présente le ré-établissement d’un support (bearer) entre l’entité SGW et la station de base secondaire en 6 étapes pour le sens descendant uniquement (se référer au premier article). 

On considère ici le cas de l’option 3X :

  • le bearer montant est maintenu au niveau de l’entité eNB
  • le bearer descendant est configuré vers l’entité S-en-gNB (SCG Configuration) et partagé entre les deux stations de base par la station de base secondaire (SN Terminated Split-bearer)

On part évidemment dans l’hypothèse que le terminal est déjà attaché au réseau, et que le support PDN par défaut existe. Cette hypothèse permet d’avoir l’identifiant TEID UL du SGW stocké au niveau de l’entité MME, ce qui est nécessaire lors du ré-établissement de support (entre le SGW et l’eNB). Le TEID S1-UL est l’identifiant de tunnel qui sera inscrit dans le contexte de l’entité eNB (donc le Master) permettant d’étiqueter le flux montant (association avec l’identité temporaire du terminal et la QoS correspondante). Ainsi, les données émises par le terminal UE vers l’entité eNB (lien montant) et identifiées par l’identifiant radio C-RNTI seront transférées par l’entité eNB vers l’entité SGW avec l’identifiant d’acheminement TEID S1-UL (et l’adresse IP du SGW). Pour l’entité SGW, le tunnel TEID a été construit et correspond à l’identifiant du tunnel par défaut monté lors de la procédure d’attachement (PDN Connectivity).

Dans cet exemple, on suppose la création d’un support entre l’entité SGW et l’entité en-gNB. Ce support peut (mais pas obligatoire) remplacer le support existant entre l’entité SGW et l’entité eNB. On se positionne donc sur l’option 3x.

On suppose également que la station de base eNB a activé la cellule secondaire en-gNB (procédure X2AP Secondary Cell activation). Ainsi, la station de base eNB émet la liste des cellules 5G présentes dans le message de SIB2 permettant au terminal UE d’être informé de la présence du réseau 5G (et d’afficher le logo 5G).

Etape 1 : Connexion radio et cœur réseau en 4G

Le terminal UE fait une demande de connexion radio vers l’entité eNB, à laquelle la station de base répond en indiquant l’identifiant radio C-RNTI pour la connexion LTE.

A partir de l’identifiant C-RNTI, le mobile transmet une requête RRC d’établissement de support (RRC Connexion Request) en indiquant la raison de sa demande (Establishment cause).

La station de base eNB répond au terminal UE par le message RRC Connection SETUP (Support de signalisation SRB0).

Le terminal UE encapsule le message NAS (Service Request) dans le message RRC Connection Setup Complete (support de signalisation SRB1) à destination de la station de base eNB. Il indique au réseau qu’il supporte la fonction DC 4G/5G en positionnant le bit DCNR du message UE Capability Network à 1. Le message est chiffré avec la clé NAS (MME).

La station de base eNB transmet le message NAS à l’entité MME. Si l’entité MME ne parvient pas à déchiffrer le message, il procède à l’authentification et à la mise en sécurité NAS. L’authentification nécessite l’apport de l’entité HSS.

Cette procédure est optionnelle car si le message NAS est déchiffré par l’entité MME, l’authentification est alors validée.

Etape 2 :  Mise en place du support pour le lien montant UL entre l’entité eNB et l’entité SGW et du support radio bi-directionnel entre le terminal UE et la station de base (récupération des capacités du terminal et mise en sécurité AS sur l’accès LTE)

A partir de cette étape, tous les messages NAS échangés entre le terminal UE et l’entité MME sont chiffrés.

L’entité MME transmet à la station de base eNB via le message Initial Context Setup Request :

  • les capacités QoS maximales (extended UE AMBR);
  • l’identité QoS de la requête de service ;
  • l’identité du support radio (RAB Id) ;
  • le numéro de tunnel SGW TEID UL permettant d’identifier le lien UL au niveau du SGW ;
  • la clé de sécurité (KeNB) permettant de dériver les clés de chiffrement et d’intégrité sur le lien radio

A partir du message Initial Context Setup Request, l’entité eNB doit :

  • mettre en œuvre l’établissement du support E-RAB configuré par l’entité MME ;
  • sauvegarder le profil de QoS de l’utilisateur (UE-AMBR) ;
  • sauvegarder la liste de restriction de handover (handover restriction list IE);
  • transmettre les valeurs contenues dans chaque élément d’information E-RAB ID IE et NAS-PDU IE pour chaque support d’accès radio (RAB) ;
  • sauvegarder la capacité du terminal UE (exemple : IoT et le mode CE)et ses capacités de sécurités (UE security capacities et NR UE security capacities ) .

La capacité du mobile à supporter la double connexion 4G/5G est signalée à l’entité MME dans le message d’information : Extended UE-AMBR Downlink and Uplink Information Elements. Ces informations sont connues par le MME et récupérées à partir de l’entité HSS lors de la demande d’attachement de l’utilisateur.

Si la liste de restriction de handover est transmise, l’entité eNB pourra sélectionner la cellule secondaire SCG pendant l’opération de Double Connexion.

En absence d’information sur le terminal de la part de l’entité MME, la station de base demande des informations sur les capacités radios supportées par le terminal UE (UE-CapabilityRequest = eutra, eutra-nr, nr).

Le terminal UE informe la station de base MeNB (on parle maintenant de MeNB car on se prépare à la double connexion) qu’il supporte le mécanisme DC NR et indique les bandes supportées dans le message UE-CapabilityRAT-ContainerList {rat-Type EUTRA-NR, ue-CapabilityRAT-Container = UE-MRDC-Capability}, SupportedBandListNR-r15.

Les informations récupérées par l’entité MeNB sont transmises à l’entité MME par le message UE Capability Information Indication portée par l’application S1 AP

A l’issu du message Initial Context Setup Request, l’entité eNB :

  • sécurise le lien radio ;
  • établi le lien radio avec le terminal UE via le message RRC Connection Reconfiguration (SRB2)

L’entité MeNB configure le terminal UE des mesures à réaliser (Objects Measurements) sur les liens radios 4G/5G et active le lien radio (support Data) via le message RRC Connexion Reconfiguration en fournissant au terminal UE le numéro de séquence PDN et l’identifiant du support radio (EPS Radio Bearer Identity).

Le terminal UE confirme l’activation du support par défaut (RRC Connection Reconfiguration Complete).

A partir de ces messages RRC Connection Reconfiguration, le support radio data (RAB) est établi dans les deux sens entre le terminal UE et la station de base. Le terminal peut donc recevoir ou transmettre des données avec la station de base.

Une fois la connexion établie (et sécurisée), l’entité eNB acquitte la demande d’établissement de support du MME par le message Initial Context Setup Response. Ce message contient la liste des supports RAB (E-RAB list) qui sont établis par l’entité MeNB.

Etape 3 : Configuration du support S1-U pour le lien descendant DL

L’entité MeNB transmet à l’entité MME le message Initial Context Setup response en réponse au message Initial Context Setup request transmis précédemment par le MME pour la demande d’établissement du support. C’est à ce moment que l’entité MeNB transmet à l’entité MME l’identifiant TEID DL qui sera utilisé par le SGW pour l’acheminement du trafic descendant vers la station de base MeNB (et à destination du terminal UE).

L’entité MME créée une entrée dans la table d’acheminement de l’entité SGW avec l’identité TEID DL et l’adresse IP de l’entité eNB pour le contexte de transfert en DL. A partir de ce moment, le trafic descendant est possible au niveau du cœur réseau et donc de bout en bout.

A ce stade, le support EPS par défaut est établi permettant une connexion bi-directionnelle entre le terminal UE, la station de base maîtresse MeNB, et les entités du plan de transport SGW/PGW.

Etape 4 : Préparation à la Double Connexion 4G/5G (option 3)

La procédure d’ajout d’un nœud secondaire est controlée par l’entité MeNB et la requête est soumise à la station de base secondaire via le message SgNB Addition Request. Cette procédure permet à la station de base maitresse de définir le type l’option DC (3/3a/3x) en transmettant les identifiants de tunnel TEID pour le support MCG/SCG ou en demandant à l’entité SgNB de fournir les identifiants de tunnel pour le support SCG.

Si on revient sur la figure 8, il y a beaucoup d’options possibles :

  • MCG bearer (option 3a);
  • SCG bearer (option 3a);
  • MN Terminated Split-bearer (option 3);
  • SN Terminated Split Bearer (option 3x).

Chaque support est transmis du cœur de réseau vers l’entité MeNB ou vers l’entité SgNB ou vers les deux. On va nommer la station de base en-gNB sous le terme SgNB.

A titre d’exemple, le support (bearer) peut être reçu par l’entité SgNB et les paquets DL sont transmis de l’entité SgNB vers l’entité MeNB. La norme précise que si la requête SgNB Addition Request demande la configuration entre le coeur de réseau 4G et l’entité S-gNB alors l’entité S-gNB transmet l’identifiant de tunnel S1 SGW TEID DL à l’entité MeNB pour modifier le tunnel descendant avec l’entité SGW. Pour terminer le tunnel descendant vers l’entité eNb, ce dernier transmet l’identifiant de tunnel MeNB DL GTP TEID at MCG IE pour le tunnel entre l’entité SgNB et MeNB. Dans ce cas, l’entité SgNB doit utiliser ce numéro de tunnel en tant qu’acheminement en DL (DL X2-U) pour délivrer les paquets DL PDCP.

Pour résumer :

  1. avant l’ajout d’un noeud secondaire, le tunnel data s’effectue entre le CN et l’entité MeNB.
  2. Après l’ajout du noeud secondaire, l’entité SGW aura modifié sa table de commutation vers l’entité SgNB (identifiant S1 SGW DL) et l’entité SgNB aura crée une table dans sa table de commutation vers l’entité MeNB (MeNB DL GTP TEID).

Mais pendant la phase de changement de commutation de tunnel entre l’étape 1 et l’étape 2, les paquets transmis du SGW vers l’entité MeNB seraient perdus? Il faut donc assurer un tunnel temporaire entre l’entité MeNB vers l’entité SgNB des données arrivant du SGW. Ce numéro de tunnel est transmis dans le message SgNB Addition Request, par le paramètre MeNB UL GTP TEID at PDCP IE. Pour que le tunnel soit complet, l’entité SgNB va répondre dans le message SGNB ADDITION REQUEST ACKNOWLEDGE le numéro de tunnel du SgNB (Secondary SgNB DL GTP TEID at SCG IE) en indiquant le mode de transmission (duplication ou non).

Nous allons maintenant étudier les requêtes, cependant, avant d’établir une double connexion, l’entité MeNB analyse les mesures effectuées par le terminal UE.

Dans le précédent message de signalisation RRC Connexion Reconfiguration SRB2, l’entité MeNB avait transmis au terminal UE les éléments de mesure (measurement objects) à réaliser. Dans le cas d’un terminal compatible DC LTE/NR, la station de base maîtresse MeNB demande au terminal UE d’écouter les signaux de références NR.

Le terminal UE se synchronise sur les signaux de références PSS/SSS 5G et mesure le niveau de puissance reçu à partir des canaux de références DM-RS (transmis avec le bloc SSB : bloc de synchronisation et BCCH) et le signal de référence CSI-RS. A cette étape, le terminal ne cherche pas à établir un support de signalisation SRB avec la station de base secondaire SgNB, mais uniquement à remonter la qualité du lien radio NR.

Si la mesure du lien radio réalisée par le terminal UE et transmise à la station de base MeNB permet d’établir une double connexion, la station de base maitresse MeNB demande l’ajout d’un second nœud radio avec la station de base secondaire 5G SgNB.

Nous allons étudier la procédure d’ajout du nœud secondaire (procédure SgNB Addition). Nous verrons ensuite la procédure de modification du nœud secondaire. La procédure d’ajout d’un nœud secondaire s’effectue par un échange d’information sur le routage et la QoS des supports, et la procédure de modification permet de changer la configuration.

La requête SgNB Addition Request transporte les informations de configuration du support (TEID, E-RAB Parameters), les capacités du terminal et les informations de sécurité de la couche radio : Pour le chiffrement, la station de base MeNB indique au terminal si le chiffrement sera réalisé par l’entité PDCP 4G ou par l’entité PDCP 5G.

En fonction de l’option DC choisi (ou imposée) par l’entité MeNB, les paramètres échangés entre la station de base maitresse MeNb et secondaire définissent :

  • le routage du support (bearer) soit au niveau du cœur réseau (MCG/SCG), soit au niveau de l’accès radio (MeNB ou SgNB pour le split-bearer) ;
  • l’allocation de ressource et la QoS attendue sur le support MCG ou le support SGC (Request MCG E-RAB Level QoS Parameter IE ou Request SCG E-RAB Level QoS Parameter IE).

Ainsi, les paramètres transmis lors de la procédure d’ajout d’un nœud secondaire concernent :

  • les caractéristiques du support radio E-RAB (E-RAB Parameters, TNL address information) ;
  • les dernières mesures radios correspondant à l’entité SgNB
  • les informations de sécurité pour l’établissement du lien de signalisation SRB3 (option si la configuration SRB-splitUL est activée)
  • les informations
    • de configuration SCG avec les capacités du terminal UE (UE capabilities and UE capability coordination result) : les identifiants de tunnel SgNB DL TEID
    • de configuration Split-bearer avec les capacités du terminal UE : les identifiants de tunnel dans le cas de l’établissement d’un support nécessitant un transfert via l’interface X2-U entre les nœud maître et secondaire (MN et SN) pour le split bearer : X2-U TNS address information (MeNB UL TEID)
  • les caractéristiques de la QoS dans le cas de l’option de split-bearer.
    • maximum supportable QoS level

Si la station de base secondaire accepte la demande d’ajout de nœud, celle-ci répond par un message SgNB Addition Request acknowledge et transmet :

  • l’allocation des ressources radios nécessaires pour le transport des flux ;
  • décide de la mise en place de l’agrégation de porteuse en attribuant des ressources sur la cellule principale PScell (cellule de service ou Serving Cell) et éventuellement les cellules secondaires pour l’agrégation de porteuses sur l’entité gNB (SGS Scells) ;
  • selon l’option choisi (option 3a ou option 3x) :
    • fournit les identifiants d’adressage sur le lien X2-U dans le cas ou du trafic doit être transmis entre l’entité MeNB et l’entité SgNB.
  • Selon le mise en place de ressources radio SCG, l’entité SgNB fournit la configuration des ressources

Dans le cas de l’option de configuration du support SCG ou de l’option 3x (split-bearer) sur l’entité SgNB, le support radio est géré par l’entité PDCP de la station de base secondaire SgNB. Dans ce cas, l’entité maîtresse MeNB propose la modification d’acheminement d’un certain nombre de supports sur la liaison descendante. Les différents supports à modifier sont indiqués dans les éléments d’informations DL forwarding IE du champ E-RAB to Be Added Item (tableau 1).

Tableau 1 : Les champs d’information de la requête en-SgNB addition Request

La liste des supports radios E-RAB pris en charge par l’entité secondaire SgNB est transmise à la station de base maitresse MeNB via le message SgNB Addition Request Acknowldge.

L’entité SgNB valide en totalité ou partiellement la demande de l’entité MeNB. Les supports pris en charge par l’entité SgNB sont indiqués à l’entité SgNB dans l’élément DL Forwarding GTP Tunnel Endpoint du champ E-RAB to Be Added Item (tableau 2).

L’allocation de ressource au niveau de la station de base secondaire SgNB permet :

  • d’établir la cellule primaire Pscell et éventuellement d’autres SCG Scells
  • Dans le cas de l’option 3 ou 3x nécessitant un support sur l’interface X2-U
    • l’entité SgNB fournit les informations d’adressages X2-U TNS pour l’acheminement des données
  • Dans le cas d’une requête de support radio SCG radio
    • l’entité MeNB fournit la configuration des ressources radio SCG

Tableau 2 : Les champs d’information de la requête SgNB addition Request Acknowledge

Pour résumer, la configuration (pour chaque support radio) de la table d’acheminement correspondant à l’option 3/3a/3x de la double connexion est transmis par l’entité secondaire SgNB vers l’entité MeNB dans le message SgNB Addition Request Acknowldge :

  • SCG Bearer
    • une identité de tunnel S1 DL GTP TEID ;
    • une identité de tunnel DL Forwarding pour le transfert du bearer dédié à l’eNB (et non partagé, le tunnel arrive à l’entité S-gNB et est entièrement transmis à l’entité MeNB);
    • une identité de tunnel UL Forwarding pour transmettre les données reçues par l’entité MeNB vers le CN (point d’ancrage SgNB)
  • Split-bearer
    • une identité de tunnel S1 DL Forwarding GTP TEID
    • une identité de tunnel X2 DL GTP TEID pour les données partagées au niveau de l’entité SgNB et destiné à l’entité MeNB.

Dans le cas de l’option 3a (avec le SCG bearer défini au niveau de l’entité en-gNB) et dans le cas de l’option 3x (le split bearer est ancré au niveau du en-gNB), l’entité MeNB devra communiquer au MME l’identifiant de tunnel S1 DL TEID pour l’établissement du bearer S1-U entre l’entité en-gNB et l’entité SGW.

Dans le cas du SCG bearer défini au niveau de l’entité MeNB ou dans le cas du split bearer au niveau de l’entité eNB (option 3), la modification d’acheminement porte sur le routage de tunnel TEID entre l’entité en-gNB et l’entité MeNB : la station de base maîtresse MeNB va transmettre à l’entité en-gNB l’identifiant de tunnel X2 UL TEID pour l’établissement du bearer X2-U entre l’entité S-gNB et l’entité SGW et l’entité SgNb envoie l’identifiant de tunnel X2 DL TEID à l’entité MeNB.

Si la station de base maitresse MeNB a demandé à l’entité SgNB la configuration d’un support MCG en transmettant dans le message SgNB Addition Request la ressource MeNB DL GTP TEID at MCG, alors l’entité SgNB doit utiliser l’adresse X2-U pour les paquets PDU PDCP dans le sens descendant.

A partir du moment où les règles d’acheminement ont été négociées entre l’entité maitresse MeNB et l’entité SgNB, la station de base MeNB transmet au terminal UE la nouvelle configuration radio. Le contenu de la configuration du lien radio est transmis par l’entité MeNB au terminal UE via le message RRC Connection Reconfiguration (SRB2). Ce message transporte la requête NR RRC Connection Reconfiguration

A partir de ce message, le terminal UE récupère la configuration du lien RACH avec l’entité SgNB et l’identité C-RNTI pour l’accès 5G.

Le terminal UE transmet le message RRC Connection Reconfiguration Complete à l’entité MeNB. Ce message transporte la requête NR RRC Reconfiguration Complete destiné à l’entité SgNB. La station de base maîtresse transfert ce message à l’entité SgNB via l’interface X2 à travers le message SgNB Reconfiguration Complete. La station de base maitresse transmet ensuite le numéro de séquence SFN des supports SCG qui seront transférés vers l’entité SgNB.

A ce stade, le support radio NR n’est pas encore finalisé, mais les données du support reçue au niveau de l’entité MeNB et provenant de l’entité SGW sont routées et bufférisées au niveau de l’entité SgNB.

Etape 5 : Création d’un support SCG entre le cœur de réseau 4G et la station de base SgNB

Dans le cas de la création du support SCG, la station de base maîtresse demande à l’entité MME de modifier la table d’acheminement au niveau de l’entité SGW afin d’acheminer les supports vers la station de base SgNB et non plus vers la station de base maîtresse MeNB.

L’entité MME modifie la table d’acheminement au niveau du SGW par une requête de modification de support (Modify Bearer). Une fois la modification portée, l’entité SGW confirme à l’entité eNB la suppression du bearer, ce dernier transfère alors les données subséquentes vers l’entité SgNG en attendant l’établissement du lien radio NR.

Dans le cas de l’option du split bearer option 3, l’entité MME n’est pas informé de la modification de la demande de bearer S1-U.

Dans le cas de l’option du split-bearer option 3x, l’entité MME est informé de la modification du point de terminaison du bearer S1-U.

Etape 6 : Etablissement de l’accès radio 5G

Le terminal UE se synchronise sur l’accès radio NR avec l’entité SgNB à partir des signaux de synchronisation PSS et SSS. A partir du PSS et SSS, le terminal UE récupère le numéro de la cellule NR PCI.

La lecture du MIB permet au mobile de se synchroniser avec le début de la trame.
Le terminal UE fait une demande d’accès radio via la procédure d’accès aléatoire RACH. Le préambule aléatoire est déterminé par la lecture du MIB (accès avec contention) ou à partir des informations transmises au mobile lors de l’étape 4 pour un accès sans-contention (message RRC Connection Reconfiguration).

La station de base secondaire fournit l’identifiant temporaire RA-RNTI puis alloue des ressources radio NR au terminal (DCI 1.0). Le terminal acquitte par une réponse en UL (PUSCH) et des données sur le lien montant.

La connexion bidirectionnelle est établie entre le terminal UE et le cœur de réseau SGW via l’entité SgNB.

Régulièrement, le terminal UE transmet à la station de base maîtresse MeNB l’information PHR (Power HeadRoom) concernant à la fois le lien sur la station maitresse et secondaire.

Le terminal transmet également les rapports de puissance régulièrement vers l’entité maitresse MeNB. L’entité MeNB transfert les informations de mesure vers l’entité secondaire SgNB.