Introduction
Lorsque le réseau 4G a été standardisé, le terminal UE ne pouvait être que dans deux états RRC :
- RRC_IDLE dit en mode de veille. Ce mode est optimisé de par sa faible
consommation de puissance - RRC_CONNECTED dit en mode connecté. A l’état RRC_CONNECTED, l’UE
échange des données avec la station de base.
Ces deux états RRC_IDLE et RRC_CONNECTED sont optimisés pour le cas d’usage eMBB (Mobile BroadBand), mais ne sont pas efficace pour des transmissions fréquentes de paquets de petites tailles.
La spécification R.15 relative à la 5G apporte un état supplémentaire RRC_INACTIVE. Le passage de l’état RRC_INACTIVE à l’état RRC_CONNECTED est établi lors de la procédure d’accès aléatoire via le message RRC Connection Resume Request.
A l’instar de la 4G, le passage de l’état RRC_IDLE à l’état RRC_CONNECTED est réalisé lors de la procédure d’accès aléatoire. Dans le cas de l’interface 5G NR, voici les 3 requêtes RRC échangées pour l’établissement de la connexion (les deux premières requêtes sont transmises lors de la procédure d’accès aléatoire RACH) :
- RRCSetupRequest initié par le terminal UE pour l’établissement d’une connexion RRC (msg 3 de la procédure RACH)
- RRCSetup (msg4 de la procédure RACH)
- RRCSetupComplete.
Figure 1 : Demande d’accès aléatoire en 4G
Sur un cœur de réseau 4G : le passage de l’état RRC_CONNECTED à l’état RRC_IDLE est provoqué :
- Soit par le relâchement de la connexion RRC en fin d’un temporisateur ou par ordre du MME dans le cas où il est congestionné.
- Soit par la suspension de la connexion RRC
Le relâchement est normalement initié par le réseau d’accès radioélectrique RAN via la requête RRCConnectionRelease. Dans certains cas, le mobile peut néanmoins relâcher sa connexion RRC et passer à l’état RRC_IDLE sans en informer le réseau d’accès radioélectrique.
La requête RRC Connection Release émise sur le bearer de signalisation SRB1 supprime le contexte AS au niveau du réseau d’accès radioélectrique et du mobile.
Figure 2 : Relâchement de la connexion RRC
Dans le cas d’usage pour l’IoT (CAT-M, NB-IoT), la spécification 3GPP propose dans la R.13 la suspension de la connexion RRC. Celle-ci est à l’initiative du réseau d’accès radioélectrique en émettant la requête RRCConnectionRelease, et le terminal revient à l’état RRC_IDLE. Cette requête contient :
- L’identifiant resumeIdentity pour retrouver le contexte de l’UE
- La cause de relâchement : rrc-Suspend
Lorsque le terminal est à l’état RRC_IDLE, la requête RRC ConnectionResumeRequest, est exécutée par le terminal UE pour restaurer le contexte AS. Le mobile passe ainsi à l’état RRC_CONNECTED.
Lorsque le mobile émet sa requête RRCConnectionResumeRequest alors l’UE restaure :
- la configuration RRC
- le contexte de sécurité à partir du contexte AS conservé au niveau de l’UE
- l’état PDCP et le ré-établissement de l’entité PDCP pour le bearer SRB1
A la réception du message RRCConnectionResume au niveau de l’UE, celui-ci restore le SRB2 et le DRB et met à jour la clé Kenb à partir de la clé Kasme et de la valeur
nextHopChainingCount contenu dans le message RRCConnectionResume puis dérive les clés de chiffrement du lien radio.
Pour résumer, cette procédure RRCConnectionResume permet de ré-activer les bearers SRB et DRB ainsi que le contexte de sécurité AS.
Figure 3: Accès aléatoire : Mode connecté en 4G
Sur un cœur de réseau 5GC
Pour prendre en compte les cas d’usage de l’IoT et URLLC, le standard 3GPP a défini un nouvel état nommé RRC_INACTIVE dans le cas de la 5G. Un terminal UE est soit à l’état RRC_CONNECTED, soit à l’état RRC_INACTIVE à partir du moment ou une connexion RRC a été établie [1].
L’état RRC_INACTIVE a été introduit pour les terminaux IoT (R.15) dans le but de réduire le nombre de requêtes de signalisation et par conséquent la consommation énergétique.
Comme nous l’avons vu précédemment, la spécification R.13 introduisait déjà deux nouveaux messages : RRCConnectionRelease avec la cause rrc_suspend pour conserver des informations de contexte du terminal UE au niveau du mobile et de la station de base et RRCConnectionresume pour restaurer le contexte et les bearers.
La figure 4 présente les états et les passage d’un état à un autre état dans le cas d’un réseau 5G.
Dans l’état RRC_INACTIVE, le mobile et la station de base suspendent leur connexion radioélectrique mais le contexte AS est conservé au niveau du mobile et de la station de base. Le cœur de réseau considère que le mobile est toujours à l’état RRC_CONNECTED. La sélection de cellule est gérée par le mobile mais le paging est géré par la station de base.
Figure 4 : Les états du mobile UE sur un cœur 5GC
Lorsque le mobile est à l’état RRC_INACTIVE, cela permet :
- De transmettre rapidement des petits paquets de données sans délai ;
- De réduire les requêtes de signalisation et la latence associée
- Réduire la consommation énergétique du mobile par rapport à l’état RRC_CONNECTED
La suspension de la connexion RRC est initiée par le réseau d’accès radioélectrique RAN via :
- LTE : la requête RRCConnectionRelease avec pour cause rrc_suspend (pour l’UE ou pour un NB-IoT ReleaseCause-NB-r13)
- 5G-NR : la requête RRCRelease with Suspend Config.
Le relâchement est normalement initié par le réseau d’accès radioélectrique RAN via la requête RRCRelease en 5G. Dans certains cas, le mobile peut néanmoins relâcher sa connexion RRC et passer à l’état RRC_IDLE sans en informer le réseau d’accès radioélectrique.
La requête RRCRelease supprime le contexte AS au niveau du réseau d’accès radioélectrique et du mobile.
La requête de suspension de la connexion RRC est chiffrée et protégée en intégrité. Lorsque le mobile doit suspendre sa connexion RRC, il conserve son contexte AS et l’identité associé au contexte resumeIdentity. La suspension ne peut se faire que si au moins un DRB a été établi.
A la différence du cœur de réseau 4G EPC [2]:
Sur le cœur de réseau 5GC : le passage de l’état RRC_CONNECTED à l’état RRC_IDLE est provoqué par le relâchement de la connexion RRC.
Sur le cœur de réseau 5GC : le passage de l’état RRC_CONNECTED à l’état RRC_INACTIVE est provoqué par la suspension de la connexion RRC
Sur l’interface radio 5G NR ou E-UTRA (connecté au cœur de réseau 5GC), pour passer de l’état RRC_CONNECTED à l’état RRC_INACTIVE, le réseau d’accès radioélectrique suspend la connexion radioélectrique avec l’UE. Le basculement est déclenché par la requête RRC_RELEASE_WITH_SUSPEND émise par la station de base vers le terminal sur l’interface NR et par la requpete RRC_RELEASE avec la cause rrc_suspend sur l’interface E-UTRA.
Pour passer de l’état RRC_INACTIVE à l’état RRC_CONNECTED, le terminal émet la requête RRCConnectionResumeRequest ou la requête RRCResumeRequest à la station de base.
L’état RRC_INACTIVE est proche de l’état RRC_IDLE au niveau de l’accès radioélectrique avec conservation de son contexte AS et de l’état CONNECTED pour le cœur de réseau :
- Le contexte AS est maintenu au niveau de la station de base et de l’UE
- Le réseau d’accès radioélectrique connait la zone de tracking radioélectrique RNA (RAN based Notification Area), zone dans laquelle l’UE peut se déplacer sans aucun échange de signalisation vers le réseau d’accès radioélectrique. Il s’agit de la zone de paging radioélectrique
- Le cœur de réseau considère que le mobile est toujours à l’état RRC_CONNECTED. La fonction AMF conserve son contexte, lui permettant de savoir quelle fonction SMF gère le bearer entre l’UPF et le gNB.
La figure ci-dessous présente les différents états du terminal UE et le passage d’un état à un autre état pour un cœur de réseau 5GC
L’état E-UTRA RRC_INACTIVE n’est pas défini pour un cœur de réseau 4G EPC
Figure 5 : Les procédures de mobilité entre l’E-UTRA/5GC et le NG-RAN/5GC
La figure ci-dessous présente les différents états du terminal UE et le passage d’un état à un autre état pour un cœur de réseau EPC à droite.
Figure 6 : Les procédures de mobilité entre l’E-UTRA/5GC et l’E-UTRA 4G
Dans l’état NR RRC_IDLE :
- le mode DRX peut être activé avec un temporisateur spécifique pour l’UE
- Le terminal UE contrôle sa mobilité (re-sélection de cellule) à partir de la
configuration réseau - Le terminal UE
- Scrute les messages de notification (paging) sur le canal de contrôle PDCCH à partir de l’identifiant radio P-RNTI embrouillant le message DCI.
- Scrute le canal de paging avec l’identité 5G-S-TMSI
- Réalise des mesures radioélectriques pour la (re)sélection de cellules avec les stations de base voisines
- Lit les informations de diffusion (SI) et peut éventuellement envoyer une requête SI (si configuré)
Dans l’état NR RRC_INACTIVE :
- le mode DRX peut être activé avec un temporisateur spécifique pour l’UE par le NAS ou par le gNB (upper layer or RRC layer)
- Le terminal UE contrôle sa mobilité (re-sélection de cellule) à partir de la
configuration réseau - L’UE sauvegarde le contexte AS Inactif
- Une zone de paging RNA (RAN-Based Notification) est configuré sur la couche RRC
- Le terminal UE :
- Scrute les messages de notification (paging) sur le canal de contrôle PDCCH à partir de l’identifiant radio P-RNTI embrouillant le message DCI.
- Scrute le canal de paging avec l’identité 5G-S-TMSI et les paging radio avec
l’identifiant radioélectrique I-RNTI - Réalise des mesures radioélectriques pour la (re)sélection de cellules avec les stations de base voisines
- Lit les informations de diffusion (SI) et peut éventuellement envoyer une requête SI (si configuré)
Dans l’état NR RRC_CONNECTED
- L’UE conserve l’état du contexte AS
- Transfère les données entre le mobile et la station de base
- L’UE peut être configuré en mode C-DRX sur la couche MAC
- L’accès radioélectrique contrôle la mobilité de l’UE
- Le terminal UE :
- Scrute les messages de notification (paging) sur le canal de contrôle PDCCH à partir de l’identifiant radio P-RNTI embrouillant le message DCI.
- Scrute les canaux de contrôles associés au canal PDSCH pour être informé de l’ordonnancement
- Réalise des mesures de qualité du lien radio CSI
- Réalise des mesures radioélectriques et déclenche la transmission des données vers la station de base pour l’aider à réaliser le handover.
- Lit les informations de diffusion (SI) et peut éventuellement envoyer une requête SI (si configuré)
Référence : https://devopedia.org/5g-ue-rrc-states
[1] TS 38.331 : NR; Radio Resource Control (RRC); Protocol spécification (3GPP TS 38.331 version 17.0.0 Release 17)
[2] TS 36.331v15.3.0 TS 36.331 : Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC); Protocol specification (3GPP TS 36.331 version 15.0.0 Release 15)
