L’industrie mobile a commencé le voyage périodique pour mettre à niveau son infrastructure et ses services vers la prochaine génération de technologies. C’est l’histoire du réseau 5G, une inévitable mise à niveau technologique que tous les opérateurs finiront par adopter.

Le réseau 5G est plus qu’une simple étape évolutive vers une nouvelle génération de technologie ; il représente une transformation fondamentale du rôle que joue la technologie mobile dans le monde. Alors que la demande de connectivité devenait de plus en plus importante, la 5G est une opportunité de créer un réseau agile et spécialement conçu pour répondre aux différents besoins des citoyens et de l’économie.

À ce niveau, deux questions fondamentales peuvent être posées :

1- Qu’est ce que la 5G exactement ?

2- Quelle est l’architecture d’un réseau 5G et comment est conçu pour offrir une grande vitesse, faible latence et  plusieurs autres avantages ?

Qu’est ce que la 5G exactement ?

La 5G est la nouvelle cinquième génération de technologie mobile. Comme les générations mobiles précédentes, dont la 3G et la 4G, la 5G utilise le spectre radio. Le spectre radio prend en charge tous les services sans fil utilisés quotidiennement par les particuliers et les entreprises, y compris passer un appel sur un téléphone portable, écouter la radio ou se connecter en ligne en utilisant le Wi-Fi.

Avec la 5G, les données transmises via des connexions haut débit sans fil peuvent voyager à des vitesses de plusieurs gigabits pouvant atteindre 20 gigabits par seconde (Gbps) selon certaines estimations. Ces vitesses dépassent les vitesses du réseau filaire et offrent une latence de 1 milliseconde (ms) ou moins, ce qui est utile pour les applications qui nécessitent un retour en temps réel. La 5G permettra une forte augmentation de la quantité de données transmises sur les systèmes sans fil en raison d’une bande passante plus disponible et d’une technologie d’antenne avancée.

Aujourd’hui, la communication cellulaire de cinquième génération (5G) est largement considérerée comme la technologie sans fil clé pour faire avancer l’industrie 4.0 ou l’Internet industriel des objets (IIoT). Certaines sources suggèrent même que la 5G sera essentielle pour rendre les installations IoT grand public parce qu’elle facilite la connexion d’un nombre impressionnant d’appareils, où que ces appareils se trouvent.

Architecture de réseau 5G 

Lorsque nous lisons le terme «architecture», nous pensons souvent aux bâtiments. Mais ce terme peut également s’appliquer à la façon dont un réseau est conçu. Comprendre l’architecture d’un réseau 5G, c’est comprendre en quoi elle est différente des générations de réseaux cellulaires précédentes.

Dans cette section vous allez découvrir comment fonctionne l’architecture de réseau 5G et pourquoi elle est importante pour l’avenir de la technologie.

Le réseau cellulaire fournit une connectivité sans fil aux appareils en déplacement. Ces appareils, appelés User Equipment (UE), correspondaient traditionnellement aux smartphones et tablettes, mais comprendront de plus en plus des voitures, des drones, des machines industrielles et agricoles, des robots, des dispositifs médicaux, etc.

Le réseau 5G se compose d'un réseau d'accès radio (RAN) et d'un Core Network

En examinant de plus près la figure 1 ci-dessus, le réseau 5G se compose de deux sous-systèmes principaux : le réseau d’accès radio (RAN : radio access network) et le réseau de base 5G (5G Core Network). Le RAN gère le spectre radio en s’assurant qu’il est utilisé efficacement et répond aux exigences de qualité de service de chaque utilisateur. Il correspond à un ensemble distribué de stations de base. Comme indiqué ci-dessus, en 5G, ceux-ci sont nommés gNB . (Le g signifie « prochaine génération ».)

Le 5G Core Network est un ensemble de fonctionnalités qui sert à plusieurs fins :

  • Fournit une connectivité Internet (IP) pour les utilisateurs.
  • Garantit que cette connectivité répond aux exigences de QoS promises.
  • Suit la mobilité des utilisateurs pour assurer un service ininterrompu.
  • Suit l’utilisation des abonnés pour la facturation.

Avant de détailler les deux sous-systèmes d’un réseau 5G, la figure 2 redessine les composants de la figure 1 pour mettre en évidence deux distinctions importantes.

La première est qu’une station de base a une composante analogique (représentée par une antenne) et une composante numérique (représentée par une paire de processeurs). La seconde est que le 5G Core Network est divisé en un plan de contrôle et un plan utilisateur, ce qui est similaire à la division du plan de contrôle/données que reconnaîtrait une personne familière avec Internet.

 

Core Network 5G divisé en un plan de contrôle et un plan utilisateur

Réseau d’accès radio (RAN : radio access network)

Le réseau d’accès radio se compose de divers types d’installations, notamment des small cells (stations de base), des tours, des pylônes et des systèmes dédiés à l’intérieur et à la maison qui connectent les utilisateurs mobiles et les appareils sans fil au réseau central principal.

Les stations de base ont une caractéristique majeure dans les réseaux 5G, en particulier aux nouvelles fréquences d’ondes millimétriques (mmWave) où la plage de connexion est très courte. Pour fournir une connexion continue, les stations de base seront réparties en grappes en fonction de l’endroit où les utilisateurs ont besoin d’une connexion.

Premièrement, chaque station de base établit le canal sans fil pour l’UE d’un abonné lors de la mise sous tension ou lors du transfert lorsque l’UE est actif. Ce canal sera libéré lorsque l’UE reste inactif pendant une période de temps prédéterminée. En utilisant la terminologie 3GPP, ce canal sans fil est censé fournir un service support . Le terme « support » a été historiquement utilisé dans les télécommunications pour désigner un canal de données, par opposition à un canal qui transporte des informations de signalisation.

 

 La station de base détecte (et se connecte) aux UE actifs

Deuxièmement, chaque station de base établit une connectivité « 3GPP Plan de contrôle » entre l’UE et le composant 5G Core Network (Plan de contrôle) correspondant, et transfère le trafic de signalisation entre les deux. Ce trafic de signalisation permet l’authentification, l’enregistrement et le suivi de la mobilité de l’UE.

 

La station de base établit la connectivité du plan de contrôle entre chaque UE et le 5G Core Network

 

Troisièmement, pour chaque UE actif, la station de base établit un ou plusieurs tunnels entre le composant 5G Core Network (Plan utilisateur) correspondant.

 

a station de base établit un ou plusieurs tunnels entre chaque UE et le plan utilisateur du noyau mobile

Quatrièmement, la station de base transfère à la fois les paquets de plan de contrôle et de plan utilisateur entre le 5G Core Network et l’UE. Ces paquets sont tunnelisés sur SCTP/IP et GTP/UDP/IP, respectivement. SCTP (Stream Control Transport Protocol) est une alternative de transport fiable à TCP, conçue pour transporter des informations de signalisation (contrôle) pour les services de téléphonie. GTP (General Packet Radio Service) est un protocole de tunneling spécifique au 3GPP conçu pour fonctionner sur UDP.

En passant, il convient de noter que la connectivité entre le RAN et le 5G Core Network est basée sur IP. Cela a été présenté comme l’un des principaux changements entre la 3G et la 4G. Avant la 4G, les composants internes du réseau cellulaire étaient basés sur des circuits, ce qui n’est pas surprenant étant donné ses origines en tant que réseau vocal.

 

transfert des paquets de contrôle et de plan utilisateur entre le 5G Core Network et l'UE.

 

Cinquièmement, chaque station de base coordonne les transferts de l’UE avec les stations de base voisines, en utilisant des liaisons directes de station à station. Comme illustrée dans la figure précédente, ces liens sont utilisés pour transférer les paquets du plan de contrôle (SCTP sur IP) et du plan utilisateur (GTP sur UDP/IP).

 

Coopération des stations de base pour mettre en œuvre le transfert de l'UE.

Sixièmement, les stations de base coordonnent la transmission multipoint sans fil vers un UE à partir de plusieurs stations de base, qui peuvent ou non faire partie d’un transfert UE d’une station de base à une autre.

 

Les stations de base coopèrent pour mettre en œuvre la transmission multivoies vers les UE.

 

Le principal point à retenir à ce niveau est que la station de base peut être considérée comme un transitaire spécialisé. Dans le sens Internet vers UE, il fragmente les paquets IP sortants en segments de couche physique et planifie leur transmission sur le spectre radio disponible, et dans le sens UE vers Internet, il assemble les segments de couche physique en paquets IP et les transmet (sur un tunnel GTP/UDP/IP) vers le plan utilisateur en amont du  5G Core Network. En outre, sur la base des observations de la qualité du canal sans fil et des politiques par abonné, il décide s’il faut (A) transférer les paquets sortants directement vers l’UE, (B) transférer indirectement les paquets vers l’UE via une station de base voisine, ou (C) utiliser plusieurs chemins pour atteindre l’UE.

5G Core Network (5GC)

La fonction principale du 5G Core Network est de fournir une connectivité externe au réseau de données par paquets (c’est-à-dire Internet) aux utilisateurs, tout en s’assurant qu’ils sont authentifiés et que leurs qualités de service observées satisfont leurs contrats d’abonnement. Un aspect important du 5G Core Network est qu’il doit gérer la mobilité de tous les abonnés en gardant une trace de leur dernière localisation à la granularité de la station de base de desserte.

Le 5G Core Network, que le 3GPP appelle le NG-Core , utilise une architecture de type «microservice» car, bien que la spécification 3GPP énonce ce niveau de désagrégation, elle ne fait en réalité que prescrire un ensemble de blocs fonctionnels. et non une mise en œuvre. Un ensemble de blocs fonctionnels est très différent de l’ensemble des décisions d’ingénierie qui entrent dans la conception d’un système basé sur des microservices. Cela dit, l’affichage de la collection de composants illustrée à la figure 8 comme un ensemble de microservices est un bon modèle de travail.

 

5G Core Network (5GC)

 

L’ensemble des blocs fonctionnels figurés ci-dessus peut être organisé en trois groupes. Le premier groupe fonctionne dans le plan de contrôle (CP) et a une contrepartie dans l’EPC (Evolved Packet Core).

  • AMF (Core Access and Mobility Management Function) : Responsable de la gestion des connexions et de l’accessibilité, de la gestion de la mobilité, de l’authentification et de l’autorisation des accès et des services de localisation. Gère les aspects liés à la mobilité du MME (Mobile Managment Entity) de l’EPC.
  • SMF (Session Management Function) : Gère chaque session UE, y compris l’attribution d’adresse IP, la sélection de la fonction UP associée, les aspects de contrôle de la QoS et les aspects de contrôle du routage UP. Il correspond à peu près à une partie du MME de l’EPC et aux aspects liés au contrôle du PGW (Packet Network Data Gateway) de l’EPC.
  • PCF (Fonction de contrôle de politique) : Gère les règles de politique appliquées par les autres fonctions du CP. Il correspond à peu près au PCRF de l’EPC.
  • UDM (Unified Data Management) : Gère l’identité de l’utilisateur, y compris la génération des informations d’authentification. Inclut une partie des fonctionnalités du HSS de l’EPC.
  • AUSF (Authentication Server Function) : Essentiellement un serveur d’authentification. Inclut une partie des fonctionnalités du HSS de l’EPC.

Le deuxième groupe fonctionne également dans le plan de contrôle (CP) mais n’a pas d’équivalent direct dans l’EPC :

  • SDSF (Structured Data Storage Network Function) : Un service « d’assistance » utilisé pour stocker des données structurées. Il pourrait être implémenté par une « base de données SQL » dans un système basé sur des microservices.
  • UDSF (Unstructured Data Storage Network Function) : Un service « d’assistance » utilisé pour stocker des données non structurées. Il pourrait être implémenté par un « Key/Value Store » dans un système basé sur des microservices.
  • NEF (Network Exposure Function) : Un moyen d’exposer certaines fonctionnalités à des services tiers, y compris la traduction entre les représentations internes et externes des données. Il pourrait être implémenté par un « serveur API » dans un système basé sur des microservices.
  • NRF (NF Repository Function) : Un moyen de découvrir les services disponibles. Il pourrait être implémenté par un « Service discovery » dans un système basé sur des microservices.
  • NSSF (Network Slicing Selector Function) : Un moyen de sélectionner une tranche de réseau pour desservir un UE donné. Les tranches de réseau sont essentiellement un moyen de partitionner les ressources réseau afin de différencier le service fourni aux différents utilisateurs.

Le troisième groupe comprend le seul composant qui s’exécute dans le plan utilisateur (UP) :

UPF (User Plane Function) : Transfère le trafic entre le réseau d’accès radio (RAN) et Internet, correspondant à la combinaison S/PGW dans l’EPC. En plus du transfert de paquets, il est responsable de l’application des politiques, de l’interception légale, des rapports sur l’utilisation du trafic et du contrôle de la qualité de service QoS.

Conclusion

Avec sa vitesse plus rapide, sa plus grande capacité et sa latence plus faible, le réseau 5G apporte des fonctionnalités supplémentaires et de nouveaux cas d’utilisation passionnants que les générations précedentes (2G/3G/4G) ne peuvent pas offrir. Les secteurs IoT commerciaux et gouvernementaux bénéficieront énormément de la nouvelle architecture 5G, de sa flexibilité et de ses différentes composantes. Regardez donc la prochaine génération et les futures opportunités commerciales et réfléchissez à la manière dont vous pourriez avoir besoin de faire évoluer vos systèmes.