5g business model et l’évolution de l’iot de 4g vers 5g
TRANSCRIPT
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5G business model et l’évolution
de l’IoT de 4G vers 5G
Préparé par
MEZZINE Abdellatif
Encadré par
Mme FATIH Ibtissame
01 septembre 2020
2
Remerciements
Je tiens à remercier toute personne ayant contribué de près ou de loin au
succès de mon stage technique. Tout d'abord, je remercie l’encadrante,
Madame Ibtissame FATIH, pour ses efforts, sa disponibilité ainsi que ses
conseils qui m’ont aidé à accomplir chacune de mes démarches. Et je veux la
remercier encore pour l’offre du stage à distance qui m’a proposé à cause de
la situation sanitaire. J’adresse aussi mes remerciements au directeur de
l’INPT, Mr Ahmed TAMTAOUI, notre Chef de filière, Mr Ahmed ELKHADIMI, le
directeur adjoint des relations entreprises Mr HILALI Abdelaziz et toute la
direction de l’INPT pour leurs efforts pour la préparation de la convention du
stage.
Enfin, je tiens à remercier toutes les personnes qui m’ont conseillé et orienté
pour finaliser la rédaction de ce rapport : ma famille, mes amis et collègues de
promotion.
3
Résumé
Le présent rapport synthétise le travail effectué dans le cadre de mon stage
technique au sein de l’entreprise Nokia, encadré par Mme FATIH Ibtissame.
Le sujet est intitulé la 5G business model et l’évolution de l’IoT de 4G vers la
5G.
L'objectif global assigné à ce stage est de découvrir les concepts et les notions
de base de la 5G, business model, les exigences, cas d’utilisations,
l’architecture, les protocoles, les canaux, la mobilité, la planification des
ressources, la qualité de services et aussi les nouvelles technologies de base
comme le Beamforming et autres. Aussi l’évolution des objets connectés IoT
de la 4ème génération des réseaux mobiles vers la 5ème génération, en
découvrant les cas d’utilisation et les projets réalisés et autres perspectives en
phase du test par Nokia grâce à ses plateformes innovantes comme WING et
IMPACT.
Durant la préparation de ce travail j’ai passé par trois étapes ; d’abord la
première étape qui consistait à la planification du sujet, dans laquelle j’ai
essayé de poser un plan de travail pour bien structurer les taches à faire.
Ensuite la deuxième étape, elle s’agit de la collecte de l’information en
cherchant dans les documents envoyés par l’encadrante, les vidéos et les
articles publiés sur internet à noter que la totalité des informations contenues
dans ce document sont à l’origine des expériences prodiguées dans l’entreprise
multinationale des télécommunications Nokia. Enfin, La dernière étape c’était
de la réorganisation des informations sous forme d’un document bien
structuré.
4
Abstract
This report summarizes the work carried out during my technical internship
at the Nokia company, supervised by Ms. FATIH Ibtissame. The topic is titled
as the 5G business model and the evolution of IoT from 4G to 5G.
Overall objective assigned at this stage is to discover the concepts and basics
of 5G ; business model, requirements, use cases, architecture, protocols,
channels, mobility, resource planification, quality of service QoS and also new
core technologies like beamforming, mmWaves and others. Also the evolution
of internet of things IoT from the 4th generation of mobile networks to the 5th
generation, by discovering the use cases and the projects realized and another
in testing phase by Nokia thanks to its innovative platforms like WING and
IMPACT.
During the preparation I carried out by three steps ; the first is the planning
of the subject, I tried to lay down a work plan to properly structure the tasks.
The second step concerns the collection of information whether in the
documents sent by the supervisor, the videos and articles on the internet but
all of the information on the document that I produced is from the company
multinational of telecommunications Nokia. The last step is to reorganize the
information in a well-structured document.
5
Table des matières
Remerciements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Terminologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1 5G : business model
1.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2 Nouveaux services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 5G : techniques de base
2.1 Cas d'utilisation et Exigences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 NR-RAN Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 NR-RAN Protocoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Spectre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5 Accès multiple et ressources physiques . . . . . . . . . . . . . 36
2.6 Structure de la trame radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.7 Canaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.8 Codage et Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.9 Massive MIMO et Beamforming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.10 Gestion des faisceaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.11 Procédure de synchronisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.12 Procédure d'accès aléatoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.13 Allocation et planification des ressources . . . . . . . . . . . . 66
2.14 Modèle de QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.15 Mobilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.16 Contrôle de puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.17 Double connectivité Multi-RAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3 Evolution de l’IoT de 4G vers 5G
3.1 IoT Exigences et Chalenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.2 IoT Cas d’utilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.3 WING et IMPACT plateformes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.4 Comparaison entre EPS et 5GS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.5 IoT Futures améliorations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6
Terminologie
2G 3G
3GPP
4G
5G 5GC
AM
AMF AR
ARQ
BCCH BCH
BFR
BPSK BWP
CCCH
CCE
CE CG
CIoT
CMR CP
CS
CSI-RSRP CSI-RSRQ
CSI-SINR
CU DC
DCCH
DCI
DL DL-SCH
DRB
DTCH DU
eDRX
eMBB eMTC
EPC
EPS E-UTRA RSRP
E-UTRA RSRQ
FDD
FeMTC
2ème génération 3ème génération
3rd Generation Partnership Project
4ème génération
5ème génération 5G Core
Acknowledged Mode
Access Management Function Augmented Reality
Automatic Repeat Request
Broadcast Control Channel Broadcast Channel
Beam Failure Recovery
Binary Phase Shift Keying Bandwidth Part
Common Control Channel
Control Channel Elements
Coverage Enhancement Cell Group
Collaborative IoT
Conférence Multinational Radiocommunications Control Plan
Circuit Switched
CSI reference signal received power CSI Reference Signal Received Quality
CSI Signal-to-Noise and Interference Ratio
Central Unit Dual Connectivity
Dedicated Control Channel
Downlink Control Information
Downlink Downlink Shared Channel
Data Radio Bearers
Dedicated Traffic Channel Distributed Unit
Exrended Discountious Reception
Enhanced Mobile Broadband Enhanced MTC
Evolved Packet Control
Evolved Packet System E-UTRA Reference Signal Received Power
E-UTRA Reference Signal Received Quality
Frequency Division Duplexing
Further Enhanced MTC
7
FFT
FR1 FR2
GBR
gNB gNB ID
GP
HARQ HLcom
IaaS
iFFT
IMPACT IMT
IoT
IP KPI
LDPC
LTE M2M
MAC
MBB MCG
MeNB
MIMO MMF
MN
MR-DC
MTC MUD
MU-MIMO
NaaS NAS
NAS
NB-IoT NCGI
NFV
NGC ng-eNB
NG-RAN
NR
NR-ARFCN OFDM
PaaS
PBCH PCCH
PCH
PCM PDCCH
PDCP
Fast Fourier Transform
Frequency Range 1 Frequency Range 2
Guaranteed Bit Rate
Next Generation eNb gNB Identifier
Guard Period
Hybrid Automatic Repeat reQuest High Latency Communication
Infrastructure-as -a-Service
Inverse fast Fourier Transform
Intelligent Management Platform for All Connected Things International Mobile Telecommunications
Internet of Things
Internet Protocol Key Performance Indicator
Low Density Parity Check
Long Term Evolution Machine to Machine
Medium Access Control
Mobile Broadband Master Cell Group
Master eNB
Multiple Input Multiple Output Mobility Management Function
Master Node
Multi-RAT Dual Connectivity
Machine Type Communication Multi-User Detection
Multi-User MIMO
Network-as-a-Service Network Attached Storage for security
Non-Access Stratum
Narrowband IoT NR Cell Global Identifier
Network Functions Virtualization
Next Generation Core Next Generation Node Base Station
Next Generation Radio Accesss Network
Next Radio
NR Absolute Radio Frequency Channel Number Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Platform-as-a-Service
Physical Broadcast Channel Paging Control Channel
Paging Channel
Parity Check Matrices Physical Downlink Control Channel
Packet Data Convergence Protocol
8
PDN
PDSCH PDU
PHY
PRACH PSS
PUCCH
PUSCH QAM
QoS
QPSK
RACH RAN
RAR
RLC RNA
RNAU
RRC SCG
SCS
SDAP SDF
SDL
SDMA SDN
SDU
SeNB
SI SINR
SMF
SN SNR
S-NSSAI
SRB SS
SSB
SS-RSRP SS-RSRQ
SSS
SS-SINR
SUL TAC
TAI
TCP TDD
TDMA
TM TSEQ
UCI
Packet Data Network
Physical Downlink Shared Channel Protocol Data Unit
Physical Layer
Physical Random Access Channel Primary Synchronization Signals
Physical Uplink Control Channel
Physical Uplink Shared Channel Quadrature Amplitude Modulation
Quality of Service
Quadrature Phase Shift Keying
Random Access Channel Radio Access Network
Random Access Response
Radio Link Control and RAN-Based Notification Area
RAN-based Notification Area Update
Radio Ressource Connexion Secondary Cell Group
Sub-Carrier Spacing
Service Data Adaptation Protocol Service Data Flow
Supplementary Downlink
Space-Division Multiple Access Software Defined Networking
Session Data Unit
Secondary eNB
System Information Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio
Session Management Function
Secondary Node Signal-to-Noise Ratio
Single Network Slice Selection Assistance information
Signaling Radio Bearer Secondary Synchronization
Synchronization Signal Block
SS Reference Signal Received Power SS Reference Signal Received Quality
Secondary Synchronization Signals
SS Signal-To-Noise and Interference Ratio
Supplementary Uplink Tracking Area Code
Tracking Area identity
Transmission Control Protocol Time Division Duplex
Time Division Multiple Access
Transparent Mode Time Sequence
Uplink Control Information
9
UDM
UDR UE
UL
UL-SCH UM
UP
UPF URLLC
VR
WING
Unified Data Management
Unified Data Repository User Equipement
Uplink
Uplink Shared Channel Unacknowledged Mode
User Plan
User Plan Function Ultra-Reliable Low-Latency Communication
Virtual Reality
Worldwide IoT Network Grid
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Introduction
Ce livre explique la nouvelle génération des réseaux mobiles 5G NR de bout
en bout, à partir des exigences et cas d’utilisation, allant aux architectures de
radio et de réseau central et des fonctionnalités fondamentales comprenant
des sujets tels que la qualité de service, la mobilité, la gestion du spectre et
l’allocation des ressources radios, découpage du réseau et la sécurité pour 5G.
Le livre contient également une discussion approfondie sur les fonctionnalités
liées à l'IoT dans LTE/EPC et la 5G.
Le 1er chapitre abordera le passage du business model traditionnel vers le
nouveau modèle avec la 5G, où l'opérateur fournit non seulement les services
de base (connectivité pure plus la voix), mais également des services
hautement sophistiqués tels que IaaS (Infrastructure-as -a-Service), NaaS
(Network-as-a-Service) et PaaS (Platform-as-a-Service). Or l’opérateur va
proposer 3 modèles au tiers lors de leur collaboration (Modèle sans contrôle,
Modèle de contrôle limité et Modèle de contrôle étendu).
Le 2ème chapitre abordera les moteurs et la motivation de la 5G, il fournira des
informations sur les cas d'utilisation de la 5G, les exigences de diverses
sources, et sa capacité à prendre en charge de nouveaux services. En outre il
fournira des informations sur les organisations impliquées dans la définition
des cas d'utilisation, des exigences et du développement de l'écosystème 5G.
Il fournit également un aperçu de la chronologie 3GPP et du contenu des
versions 15.
Aussi, on trouvera dans ce chapitre un aperçu sur les considérations de
spectre pour la nouvelle radio 5G concernant toutes les bandes possibles. De
plus, les lecteurs comprendront bien les caractéristiques du nouveau spectre
disponible pour la 5G qui définit les exigences fondamentales pour son
déploiement en fonction des modèles de canaux et des mesures disponibles.
Ce chapitre décrit la nouvelle technologie d'accès radio 5G, il comprend
l'évolution de l'accès LTE vers la 5G, la description des nouvelles formes
d'onde, le MIMO massif et les technologies de formation de faisceaux, qui sont
des caractéristiques clés de la nouvelle radio 5G.
En outre, ce chapitre expliquera les couches de la pile protocolaire et les
procédures en liaison descendante et en liaison montante. Aussi une vue sur
les protocoles radio fonctionnant au-dessus de la couche physique 5G et les
procédures requises pour construire le système d'accès radio 5G complet.
Il donne des informations sur les flux des données et la qualité de services
pour les liaisons montante et descendant. Le chapitre décrit de plus les
principes de gestion de la mobilité 5G dans la partie radio et dans le réseau
central.
11
Il fournira également une comparaison de la gestion de la mobilité 5G avec la
gestion de la mobilité existante en LTE. Cela comprendra les états de mobilité
5G, de la mobilité en mode connecté et inactif pour les déploiements
autonomes et non autonomes. Il comprendra également des procédures
d'interfonctionnement vers les systèmes LTE.
Le 3ème décrit les exigences et les défis imposés par un nombre massif
d'appareils connectés aux réseaux cellulaires. Les cas d’utilisation et des
exemples des projets proposés par des entreprises comme Nokia et les
bénéfices de la manipulation de ces propres plateformes IoT (WING et
IMPACT). En outre, le chapitre donne également un aperçu détaillé de la prise
en charge de la communication M2M et IoT avec des technologies telles que
NB-IoT, ainsi que des améliorations de l'architecture système prises en charge
pour les appareils M2M et IoT.
12
5G : business model Généralités
Avec l'introduction de la 5G, le modèle commercial ou bien le business model
traditionnel avec les opérateurs des réseaux mobiles en tant que fournisseurs
de connectivité pure offrant des services vocaux et de messages courts sera
dépassé. En fait, l'un des plus grands changements pour l'industrie des
télécommunications à venir avec la 5G est très probablement le passage de ce
modèle commercial simple à de nouveaux modèles commerciaux où
l'opérateur mobile fournit non seulement une connectivité pure plus la voix,
mais également des services hautement sophistiqués tels que IaaS
(Infrastructure-as -a-Service), NaaS (Network-as-a-Service) et PaaS (Platform-
as-a-Service) à des tiers, comme les petites / moyennes / grandes entreprises
ou locataires. Ces nouveaux modèles permettent aux clients de construire
leurs réseaux sur l'infrastructure de l'opérateur mobile, il est optimisé pour
leurs cas d'utilisation spécifiques. Par conséquent, de nombreux nouveaux
joueurs peuvent faire partie de ce jeu. Au passé, il s'agissait principalement
de l’opérateur et du consommateur final (particuliers ou entreprises). À
l'avenir, ce sont les opérateurs, divers secteurs, les propriétaires de local (par
exemple, les stades ou les usines), les propriétaires de contenu, les entreprises
et leurs services informatiques, les autorités comme les agences de sécurité
publique, les consommateurs finaux comme les utilisateurs de smartphone
normal et aussi les joueurs à haut niveau. Les partenariats doivent être établis
à plusieurs niveaux allant du partage de l'infrastructure, à l'exposition des
capacités du réseau spécifique en tant que service de bout en bout, et à
l'intégration des services partenaires dans le système 5G.
Lorsque l’opérateur collabore avec un tiers, il peut proposer les trois modèles
économiques au-dessous pour les suivre :
1. Modèle sans contrôle
Le tiers n'a aucun contrôle sur les services et les fonctions du réseau déployé,
le déploiement et le fonctionnement du réseau sont sous le contrôle total de
l’opérateur, le tiers peut surveiller son propre KPI (Key Performance Indicator).
2. Modèle de contrôle limité
Un tiers ou un opérateur peut déployer des parties du réseau, un tiers peut
modifier la configuration des fonctions du réseau déployé et il peut aussi
déployer ses propres fonctions.
3. Modèle de contrôle étendu
Un tiers conçoit, déploie et exploite son propre réseau sur l'infrastructure de
l’opérateur. Le tiers a un contrôle étroit sur les fonctions et services de son
propre réseau, mais un contrôle limité sur les fonctions de l'opérateur mobile.
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5G : business model Nouveaux services
Avec la 5G l’opérateur doit fournir non seulement les services de base (voix,
message …), mais aussi un nouveau type des services comme IaaS, PaaS et
NaaS ; donc de quoi s'agissent IaaS, PaaS et NaaS ?
a. Network As A Service (NaaS)
NaaS c’est de l’externalisation de la partie réseau. Il peut inclure un réseau
privé virtuel (VPN) flexible et étendu, une bande passante à la demande, un
routage personnalisé, des protocoles de multidiffusion, un pare-feu de
sécurité, la détection et la prévention des intrusions, un réseau étendu (WAN),
la surveillance et le filtrage de contenu et un antivirus.
b. Infrastructure As A Service (IAAS)
L’externalisation de l’infrastructure matérielle du service
informatique (réseaux, stockage et serveurs) chez un fournisseur tiers. Vos
ressources informatiques sont hébergées sur des serveurs externes et vous y
accédez via une connexion internet. Vous conservez à votre charge la gestion
des systèmes d’exploitation et du « middleware » : bases de données,
intégration, environnement d’exécution, ainsi que les applications.
Cette technique offre une meilleure flexibilité, accès et gestion des ressources
à distance et le gain en terme du temps et aussi au niveau financier.
c. Plateform As A Service (PaaS)
Le PaaS c’est d’externaliser non seulement l’infrastructure matérielle mais
aussi l’environnement logiciel (software), ce service est dédié aux bases de
données, couches d’intégration, temps réel etc.
Cette solution offre la possibilité de garder la main sur l’installation et le
développement des applications utiles à l’entreprise.
Parmi ces avantages ; il offre les Mêmes bénéfices que pour l’IaaS,
maîtrise de l’installation et du développement des applications logicielles,
gain en temps et flexibilité pour les projets de développement : non besoin de
gérer la mise en place de la plateforme, mise en production instantanée.
sécurité des données : le contrôle de la diffusion, la protection et la sauvegarde
des données de l’entreprise.
14
L'activation de ces différents nouveaux modèles commerciaux et modes de
contrôle de réseau nécessite des nouvelles solutions techniques sur lesquelles
la 5G doit s'appuyer. Certains d'entre eux sont par exemple NFV, SDN et le
découpage du réseau. NFV permet aux opérateurs d'introduire de nouveaux
modèles de partage de réseau : partage de sites de centres de données
(bâtiments, salles), d'infrastructures (commutateurs, routeur, pare-feu) et
matériels, partage de certaines fonctions de réseau virtuel cœur ou radio et le
partage des fréquences. Le découpage du réseau permettra à l’opérateur
d'offrir son matériel, ses logiciels et son infrastructure à des tiers, c'est-à-dire
en offrant des services de type NaaS à différents fournisseurs de services avec
un degré de sécurité très élevé.
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5G : techniques de base Cas d'utilisation et exigences
La 5G -5ème génération des réseaux mobiles- est la nouvelle génération des
systèmes radio et d'architecture de réseau offrant des débits très élevés et une
connectivité ultra large, à faible latence et un réseau massif pour l'Internet
des objets afin de permettre une transformation à un monde numérique, qui
transformera nos vies individuelles, notre économie et notre société.
La 5G permettra des cas d'utilisation très divers avec une gamme extrême
d'exigences. Par rapport aux exigences de conception héritées, la plus grande
différence est la diversité des cas d'utilisation que les réseaux 5G doivent
prendre en charge et les nouvelles opportunités qu'ils créeront par rapport
aux réseaux d'aujourd'hui qui ont été conçus principalement pour fournir un
haut débit.
L’utilisation de la 5G peut deviser en 3 principaux catégories :
1. Mobile à haut débit -Extreme mobile broadband- qui offre des giga-
octets de bande passante à la demande.
2. Communication critique pour les machines -Critical machine-type
communication- qui permet le contrôle à distance des robots.
3. Communication massive pour les machines-Massive machine-type
communication- qui connecte des milliards des capteurs et des
machines.
Selon IMT (International Mobile Telecommunications) l’utilisation de cette
nouvelle génération pour 2020 sera basée sur les mobiles à haut débit -Mobile
Broadband (MBB)-, des communications massives et des communications
ultra fiables et à faible latence.
L'écosystème unifié par 5G servira à la fois des nouvelles applications telles
que les drones, la vidéosurveillance en temps réel, la réalité augmentée et
virtuelle, l'Internet des objets, etc. La 5G devra faire face à une forte
hétérogénéité en termes de :
• Services : haut débit mobile, communications massives et communications
critiques, services de multidiffusion et communications véhiculaires.
• Classes d'appareils : capteurs bas de gamme aux tablettes haut de gamme.
• Types de déploiement : macro et petites cellules.
• Environnements : urbains de faible densité à ultra-dense.
• Niveaux de mobilité : transport statique à haut débit.
Des exigences majeures doivent être prise en charge, telle que des capacités
et des taux d'utilisation élevés, une faible latence, une fiabilité élevée, une
16
couverture omniprésente, une mobilité élevée, un nombre massif d'appareils,
un faible coût et une faible consommation d'énergie.
3GPP a défini plusieurs exigences potentielles pour que la nouvelle génération
sera plus adaptable au besoin du marché ; le tableau au-dessous rassemble
tous ces points forts :
Métrique Exigence
Taux de données DL 20 Gbps, UL 10 Gbps
Efficacité spectrale DL 30 bps/Hz, UL 15 bps/Hz
Latence Utilisateur : 0.5ms pour UL, et 0.5ms pour
DL (URLLC)
Utilisateur : 4ms pour UL, et 4ms pour DL
(eMBB)
Control : 10 ms
Fiabilité 10-5 = 99.999%
Virtualisation de réseau Nouvelles interfaces ouvertes
Densité de connexion 1M/km2
Mobilité 500 km/h
Couverture 164 dB
Interfonctionnement
LTE
Double connectivité
Lorsque le système 4G (3GPP Release-12) est comparé aux exigences de 5G,
on constate plusieurs améliorations dans différents domaines.
Métrique 5G LTE R-12
Taux de données DL 20 Gbps,
UL 10 Gbps
DL 1 Gbps, UL
0.5 Gbps
Efficacité spectrale DL 30 bps/Hz, UL 15
bps/Hz
DL 6.1, UL 4.3
bps/Hz
Latence Utilisateur : 0.5ms
pour UL, et 0.5ms pour
DL (URLLC)
Utilisateur : 4ms pour
UL, et 4ms pour DL
(eMBB)
Control : 10 ms
Utilisateur 10
ms
Control 50 ms
Fiabilité 10-5 = 99.999% Non précisé
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Densité de
connexion
1M/km2 Non précisé
Mobilité 500 km/h 350 km/h
Couverture 164 dB Non précisé
Les systèmes 5G se différencieront des systèmes LTE non seulement par une
évolution supplémentaire des performances radio, mais également par une
flexibilité considérablement accrue de bout en bout.
Cette flexibilité de bout en bout viendra en grande partie de l'incorporation de
la non-matérialisation -softwarization- dans chaque composant. Des
techniques bien connues telles que SDN, NFV et le cloud computing
permettront une flexibilité dans le système IMT-2020. Une telle flexibilité
permettra de nombreuses nouvelles fonctionnalités, y compris le découpage
du réseau -network slicing-.
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5G : techniques de base NR-RAN Architecture
a. NR-RAN Architecture
Le NG-RAN consiste par un ensemble de nœuds NG-RAN connectés au réseau
cœur 5G (5GC) via l'interface NG. Le nœud NG-RAN est soit :
▪ un gNB, fournissant les terminaisons de protocole du plan utilisateur NR et
du plan de contrôle vers l'UE.
▪ un ng-eNB, fournissant les terminaisons du plan utilisateur E-UTRA et du
protocole du plan de contrôle vers l'UE. Le ng-eNB (également appelé eLTE
eNB) est l'évolution d'eNB qui prend en charge la connectivité à LTE Core
Network (EPC) et 5GC.
Figure 1 : Architecture du réseau 5G
NG et Xn sont des interfaces logiques. Les gNB et ng-eNB sont interconnectés
les uns avec les autres au moyen de l'interface Xn. Les gNB et ng-eNB sont
également connectés au moyen des interfaces NG au 5GC, plus précisément
à l'AMF (Access and Mobility Management Function) au moyen de l'interface
NG-C et à l'UPF (User Plane Function) au moyen de l'interface NG-U.
L'interface NG prend en charge une relation plusieurs-à-plusieurs entre l'AMF
ou l'UPF et les nœuds NG-RAN dans NG-RAN. Il est à noter que dans la
configuration NG-Flex, chaque NG-RAN est connecté à tous les AMF d'une
région.
19
gNB et ng-eNB affrent différentes fonctions de gestion des ressources radio :
• Contrôle de support radio -Radio Bearer Control-,
• Contrôle d'admission radio -Radio Admission Control-,
• Contrôle de la mobilité de connexion -Connection Mobility Control-,
• Allocation dynamique des ressources aux UEs -Dynamic allocation of
ressources to UEs-.
La Répartition fonctionnelle entre NG-RAN et 5GC et donnée comme suit :
NG-RAN :
• RRM inter cellule
• Contrôle RB
• Contrôle des connexions de la mobilité
• Contrôle d'admission radio
• Configuration et fourniture de mesure
• Allocation dynamique des ressources (planificateur)
5GC :
• Pour AMF on trouve comme fonctionnalités la sécurité NAS et la gestion
de la mobilité à l'état inactif.
• Pour UPF la fixation de mobilité et la manipulation de la PDU.
• Pour SMF l’attribution d'adresse IP à l’UE et le contrôle de session PDU.
Pour l’identification d’une entité de réseau spécifique, les entités suivantes
sont utilisées dans NG-RAN :
• AMF Identifier : utilisé pour identifier l’AMF.
• NR Cell Global Identifier (NCGI) : utilisé pour identifier les cellules NR
dans le monde. Le NCGI est construit à partir de l'identité PLMN à
laquelle appartient la cellule et de l'identité de cellule NR de la cellule.
• gNB Identifier (gNB ID) : utilisé pour identifier les gNB dans un PLMN
• Global gNB ID : utilisé pour identifier les gNB à l'échelle mondiale. L'ID
global gNB est construit à partir de l'identité PLMN à laquelle appartient
gNB et de l'ID gNB
• Tracking Area identity (TAI) : utilisé pour identifier les zones de suivi. Le
TAI est construit à partir de l'identité PLMN à laquelle appartient la zone
de suivi et du TAC (Tracking Area Code) de la zone à suivre.
• Single Network Slice Selection Assistance information (S-NSSAI) pour
identifier la tranche du réseau (network slice).
Plusieurs identités de terminal UE sont utilisées au niveau des cellules lors
de la connexion du NR à 5GC, on situe :
20
• C-RNTI : il s'agit d'une identification unique, qui est utilisée comme
identifiant de la connexion RRC et à des fins de planification
• Temporary C-RNTI : Cette identification utilisée pour la procédure d'accès
aléatoire,
• Random value for contention resolution : pendant certains états transitoires,
l'UE est temporairement identifiée avec une valeur aléatoire utilisée à des fins
de résolution des conflits.
b. Options d'architecture radio 5G pour Cloud RAN
Le cloud RAN, dans lequel l'architecture RAN est divisée en unités de bande
de base centralisées - centralized baseband units- et unités radio distribuées
- distributed radio units-, a gagné du terrain. Une telle architecture centralisée
présente à la fois des avantages en termes de performances (l'amélioration de
la coordination intercellulaire / fréquence au niveau de la bande de base
centralisée) et des avantages en termes de coûts (une mise en commun accrue
du matériel et des logiciels, la réduction des coûts de location et de la gestion
des sites).
Le réseau radio 5G comprend de nouvelles interfaces entre l'unité radio et
l'unité en bande de base ou l'unité cloud de périphérique. L'objectif est
d'apporter plus de flexibilité au déploiement du réseau radio.
L'approche distribuée peut être utilisée en 5G comme elle a été déjà utilisé
pour LTE, par contre L'hôtellerie en bande de base - baseband hoteling - est
un défi en 5G car le débit de données CPRI requis devient très élevé (térabits
par seconde) avec une large bande et une RF multi-antenne.
La 5G inclut d'autres options pour la division des fonctions : division de
couche basse et division de couche haute. La solution consiste à inclure des
fonctionnalités critiques de retard de couche faible dans l'unité RF et moins
de fonctionnalités critiques de retard dans l'unité de nuage périphérique - edge
cloud unit-. Une telle solution peut minimiser les exigences de transport.
Une architecture divisée entre les unités centrales et distribuées permet la
coordination des fonctionnalités de performance, la gestion de la charge,
l'optimisation des performances en temps réel, et permet NFV (network
functions virtualization) et SDN (software-defined networking). Aussi les
divisions fonctionnelles configurables permettent l'adaptation à divers cas
d'utilisation, tels que la latence variable sur le transport.
21
Figure 2 : Architecture d’un gNB
CU : Central Unit
DU : Distributed Unit
3GPP a introduit une nouvelle interface standardisée entre une unité
centralisée (gNB-CU) et une unité distribuée (gNB-DU). Cette interface est
appelée F1 par 3GPP. Il a été choisi d'avoir cette interface entre les couches
PDCP et RLC.
Points importants :
• gNB-CU héberge les protocoles RRC, SDAP et PDCP du gNB et contrôle
le fonctionnement d'un ou plusieurs gNB-DU.
• gNB-DU héberge les couches RLC, MAC et physique du gNB, et son
fonctionnement est en partie contrôlé par gNB-CU.
• Un gNB-DU prend en charge une ou plusieurs cellules. Une cellule est
prise en charge par un seul gNB-DU.
• Le gNB-DU termine l'interface F1 connectée au gNB-CU.
3GPP travaille également sur la séparation entre les entités de plane de
contrôle et plane d’utilisateur (CP et UP) à l'intérieur de gNB-CU. Bien que cela
ne soit pas convenu dans 3GPP et l'interface gNB-CU-CP / gNB-CU-UP n'est
pas encore définie, cette interface est propriétaire dans cette version, elle peut
évoluer vers une interface compatible 3GPP dans une version ultérieure.
22
5G : techniques de base NR-RAN Protocoles
Avant de focaliser sur la description de chaque protocole, on va indiquer que
les protocoles sur les interfaces Uu et NG sont divisés en deux structures :
Protocoles du plane utilisateur : Ce sont les protocoles implémentant le
service de session PDU, c'est-à-dire transportant les données utilisateur à
travers la couche d'accès.
Protocoles du plane de contrôle : Ce sont des protocoles pour contrôler les
sessions PDU et la connexion entre l'UE et le réseau sous différents aspects ;
la demande du service, le contrôle des différentes ressources de transmission,
le transfert et autres.
Un mécanisme de transfert transparent des messages NAS (Non-access
stratum) est également inclus.
La figure au-dessous montre la pile des protocoles du plan utilisateur où
SDAP, PDCP, RLC et MAC -Couche 2- exécutent les fonctions suivantes :
SDAP prend en charge la qualité de service par paquet, prendre en charge des
débits binaires extrêmement élevés au niveau du traitement et le
fonctionnement de la 5G autonome - standalone 5G-.
Or la couche 1 est la couche physique PHY qui remplit les fonctions suivantes
: modulation, codage et décodage, contrôle de puissance, détection d'erreurs
opérations OFDM, FFT et iFFT
Figure 3 : pile des protocoles du plan utilisateur
SDAP : Service Data Adaptation Protocol
PDCP : Packet Data Convergence Protocol
23
RLC : Radio Link Control and
MAC : Medium Access Control
PHY : Physical Layer
Note :
SDAP est une nouvelle sous-couche 5G.
La communication entre les couches de la pile protocolaire se résume sous
forme de plusieurs points parmi lesquels :
• La couche physique offre des canaux de transport à la sous-couche MAC.
• La sous-couche MAC offre des canaux logiques pour la sous couche RLC.
Elle effectue des retransmissions rapides des paquets (Hybrid Automatic
Repeat reQuest - HARQ), la sélection du format de transmission, la
planification et enfin la gestion de la qualité de service (QoS).
• La sous-couche RLC offre des canaux RLC pour la sous couche PDCP. Les
fonctions de RLC sont : la segmentation et le réassemblage des paquets.
• La sous-couche PDCP offre des supports radios pour la sous couche SDAP.
Le PDCP effectue le chiffrement, l'intégrité, la numérotation des séquences
et la compression d'en-tête.
• La sous-couche SDAP offre au 5GC les flux de QoS. Elle effectue le
mappage des flux de données du réseau central avec certaines exigences
de QoS.
Le plan de contrôle à prendre en compte deux nouveaux protocoles
supplémentaires :
• Radio Resource Control (RRC) a pour rôle la diffusion d’informations
système, la connexion et le contrôle de la mobilité dans le RAN, la gestion des
mesures et la configuration des paramètres de protocole des sous couches
inférieurs.
• Non-Access Stratum (NAS) a comme rôle la connexion et le contrôle de la
mobilité entre UE et NGC.
Figure 4 : pile des protocoles du plan de contrôle
24
RRC : Radio Resource Control
NAS : Non-Access Stratum
Maintenant on passe à la description de chacun des protocoles radios
suivants : SDAP, PDCP, RLC, MAC et enfin RRC.
Avant de commencer on doit tout d’abord définir le PDU et le SDU pour mieux
comprendre les protocoles.
Figure 5 : présentation d’un RLC PDU et RLC SDU
PDU (Protocol Data Unit) est une unité de donnée qui est transmise entre les
entités homologues d'un système de communication.
SDU (Service Data Unit) fait référence à une unité de donnée qui a été
transmise d'une couche de protocole supérieure à une couche inférieure.
• PDU d'une couche = SDU de cette couche + en-tête de la même couche.
Exemple : PDCP PDU = PDCP SDU + en-tête
• PDU de la couche supérieure devient la SDU de la couche inférieure.
Exemple : RLC PDU devient MAC SDU.
a. SDAP
SDAP c’est un protocole d'adaptation des données de service, elle s’agit aussi
d’une nouvelle sous-couche 5G, non présente dans les systèmes LTE.
Son but est de mapper les flux de qualité de service QoS aux supports radio
de donnée DRB - Data Radio Bearers -, et le marquage de l'ID de flux QoS QFI
- QoS flow ID- dans les paquets DL et UL.
Une seule entité de protocole de SDAP est configurée pour chaque session
PDU individuelle.
b. PDCP
Protocole de convergence des données par paquets et en anglais Packet Data
Convergence Protocol, parmi ces principaux services et fonctions on trouve :
25
• Numérotation des séquences
• Compression et décompression d'en-tête
• Transfert des données utilisateur
• Réorganisation et détection des doublons (si la livraison de la commande
aux couches supérieures à PDCP est requise)
• Routage PDU PDCP (en cas de supports séparés)
• Retransmission des SDU PDCP
• Chiffrement et déchiffrement
• Suppression de SDU PDCP
• Duplication des PDU PDCP
L’intégrité garantit la cohérence et l'exactitude des données. L'unité de
données dont l'intégrité doit protéger l'en-tête de PDU et la partie donnée de
la PDU avant le chiffrement.
Le chiffrement des données pour éviter la fuite de l'information. L'algorithme
de chiffrement et la clé à utiliser par l'entité PDCP sont configurés par des
couches supérieures.
Lorsque la sécurité est activée, la fonction de chiffrement doit être appliquée
à toutes les PDU de PDCP de type données indiqué par les couches
supérieures.
Principales différences avec LTE :
• Permet la configuration de la protection d’intégrité pour les supports
radio de données DRB
• Fenêtre de réapprovisionnement permanente
• Seulement 2 PDCP SN (12 et 18 bits)
• Prise en charge de la duplication sur deux cotés RLC
• La livraison d'une commande peut être désactivée.
c. RLC
RLC c’est Radio Link Control en anglais, il prend en charge la correction des
erreurs et la segmentation.
Il support 3 mode de transmissions :
• Mode transparent -Transparent Mode- TM
• Mode sans accusé de réception -Unacknowledged Mode- UM
• Mode acquitté -Acknowledged Mode- AM
Les principaux services et fonctions de la sous-couche RLC dépendent du
mode de transmission et comprennent : la numérotation des séquences
indépendantes de celle du PDCP, la correction d'erreur par ARQ - Automatic
Repeat Request- (demande de répétition automatique en mode acquitté
26
uniquement) et enfin la segmentation, réassemblage et la re-segmentation des
SDU RLC. La segmentation et ARQ sont les 2 principaux fonctions de RLC.
En découvrant maintenant chacun des modes de transmission.
TM :
Le mode transparent est utilisé pour SRB0, le support radio de signalisation
SRB0 - signaling radio bearer- est le transfert d'informations de commande
avant l'établissement de la connexion RRC.
Le mode transparent est également utilisé pour la pagination et la diffusion
d'informations sur le système.
UM :
Le mode UM est utilisé pour les DRB -Data Radio Bearers-, pour lesquels la
transmission sans perte n'est pas requise ou applicable, par exemple :
diffusion TV en direct, données à faible latence, voix et applications basées
sur UDP.
AM :
SRB autres que SRB0 (transfert des informations de contrôle après
l'établissement de la connexion RRC)
DRB pour lesquels des transmissions de données sans perte doivent être
assurées (c'est-à-dire que la fiabilité est plus importante que la latence), par
exemple : Applications basées sur TCP (navigation Web, FTP).
d. MAC
MAC c’est Medium Access Control, pour ces principales fonctions on trouve :
• Mappage entre les canaux logiques et les canaux de transport
• Multiplexage / démultiplexage de SDU MAC
• Rapports d'informations sur la planification
• Correction d'erreurs via HARQ
• Gestion des priorités entre UE au moyen de la planification dynamique
• Gestion des priorités entre les canaux logiques d’un terminal ou bien
UE au moyen de la hiérarchisation des canaux logiques.
Dans 5G NR, MAC prend en charge plusieurs numérologies et plusieurs SDU
MAC à partir du même canal logique sans concaténation dans RLC.
Par contre à LTE pour la 5G NR on peut déclarer que :
• On peut avoir plusieurs SDU MAC à partir du même canal logique sans
concaténation dans un RLC
27
• Sous-en-têtes entrelacés avec les SDU du MAC
• Prise en charge de plusieurs numérologies.
e. RRC
RRC ou bien Radio Resource Control est utilisé uniquement dans le plan de
contrôle par contre les précédents protocoles sont utilisés dans les deux plans
(contrôle et utilisateur). Ce protocole est spécifié dans la spécification
technique de 3GPP 38.331.
Le RRC s'occupe de plusieurs fonctions :
• Diffusion des informations système,
• Etablissement de connexion,
• Contrôle de connexion,
• Mobilité et mesures.
De plus, RRC dans 5G NR prend en charge l'approvisionnement des
informations système, la gestion des faisceaux et aussi la gestion des
nouveaux états pour RRC (état inactif du RRC).
En découvrant 2 principaux points pour mieux comprendre le fonctionnement
du protocole RRC ;
1. RRC Inactive State
L'état inactif RRC est un état introduit dans NR à des fins d'économie d'énergie
et de réduction de la latence. La réduction de la latence est obtenue en
conservant le contexte UE dans RAN. Les exigences de mesure sont assouplies
par rapport au mode CONNECTÉ.
2. System Information Handling
Comme la figure montre au-dessous, Le SI -System Information- minimum est
diffusé périodiquement et comprend les informations de base requises pour
l'accès initial et les informations pour acquérir toute autre diffusion SI
périodiquement ou fournie à la demande, c'est-à-dire des informations de
programmation.
L'autre SI - Other SI - englobe tout ce qui n'est pas diffusé dans le SI minimum
et peut être soit diffusé, soit provisionné de manière dédiée, soit déclenché par
le réseau, soit à la demande de l'UE.
28
Figure 6 : fonctionnement du système d’information
Maintenant on passe aux protocoles des interface du réseau où on peut citer
2 interfaces NG interface et Xn interface. Les deux interfaces NG et Xn sont
composés de deux parties une pour le contrôle et la deuxième pour
l’utilisateur.
Figure 7 : la pile protocolaire pour les interfaces du réseau
a. NG interface
NG-U assure la livraison non garantie des PDU du plan utilisateur entre le
nœud NG-RAN et l'UPF.
L'interface NG prend en charge une relation un-à-plusieurs entre les nœuds
ng-RAN et les nœuds 5GC.
29
La couche de réseau de transport est construite sur le transport IP et GTP-U
est utilisé au-dessus d'UDP / IP pour transporter les PDU du plan utilisateur
entre le nœud NG-RAN et l’UPF (User Plane Function).
NG-C fournit plusieurs fonctions, par exemples :
• gestion des interfaces NG
• Gestion du contexte UE
• Gestion de la mobilité UE
• Transport des messages NAS
• Gestion de session PDU
• Transfert de la configuration
• Transmission de message d'avertissement.
b. Xn interface
L'interface Xn permet d'interconnecter deux gNB ou un gNB et un ng-eNB
entre eux. L'interface Xn est également applicable pour la connexion entre
deux ng-eNB.
Xn-U fournit une livraison non garantie des PDU du plan utilisateur et prend
en charge les fonctions suivantes :
• Transfert de données
• Contrôle de flux.
L'interface du plan de contrôle Xn (Xn-C) est définie entre deux nœuds NG-
RAN. La couche réseau de transport est construite sur SCTP sur IP. Le
protocole de signalisation de la couche Application est appelé XnAP (Xn
Application Protocol).
La couche SCTP assure la livraison garantie des messages de la couche
application.
Dans la couche IP de transport, la transmission point à point est utilisée pour
fournir les PDU de signalisation.
En générale on peut dire que l'interface Xn-C prend en charge les fonctions
suivantes :
• Gestion de l'interface Xn,
• Gestion de la mobilité de l’UE,
• Double connectivité.
30
5G : techniques de base Spectre
Les spectres fréquentiels ont plusieurs utilités ou bien cas d’utilisation, on cite
comme gamme du spectre : la bande basse, la bonde médiane et la bande
haute ; chaque type de bande est défini par des fréquences bien spécifiques.
Le tableau au-dessous illustre quelque information pour chaque bande du
spectre :
Spectre Bandes Couverture Peak du
taux des données
Bande
passante
Bande basse
< 3 GHz
• 600 MHz
(n71) • 700
MHz (n28) • 900 MHz
SUL(n81) •
1800 MHz SUL(n80)
• Intérieur
profond
• >1 km
~100 Mbps FDD 2x10
MHz ou UL
only
Bonde
médiane 3 – 6 GHz
• 3.3-3.8 GHz
(n78) • 3.3-4.2 GHz
(n77)
• 4.4-5.0 GHz
(n79)
• Même grille
que LTE1800 • ~1 km
~1 Gbps TDD
<100Mhz
Bande
haute
>24 GHz <52.6
• 26 GHz
(n257)
• 28 GHz (n258)
• 39 GHz
(n260)
• Points
chauds
• Ligne de mire
• 100 m
~10 Gbps TDD
<1GHz
Cas d’utilisation de la bande basse se résume en couverture intérieure,
couverture UL eMBB supplémentaire et aussi dans la couche de couverture
pour MBB. La 2ème bande c’est la bande médiane, son rôle est d’occuper la
couverture eMBB 5G sur le réseau LTE, des lancements majeurs sont
attendus dans cette gamme de fréquences (JPN, KRN, CHN, EUR) et enfin elle
gère les défis de l’UL. Or la bande haute - High-band- est utilisé aux États-
Unis en raison d'un manque de 3-6 GHz et ses débits de données extrêmes ;
par exemple VR dans les zones locales comme les stades.
On va essayer d’expliquer quelques points pour Les principales options de
spectre au niveau mondial pour la 5G :
31
Dans la phase initiale Les principales options de spectre sont de 3,3 à 4,9 GHz
et d'ondes millimétriques à 24-28 GHz et 39 GHz avec la technologie -Time
Division Duplex- TDD.
La 5G peut également utiliser des bandes de duplex à division de fréquence
(FDD) inférieures à 1 GHz pour fournir une couverture étendue, y compris une
pénétration intérieure profonde.
La 5G peut également être déployée sur un spectre partagé, comme la bande
de 3,5 GHz aux États-Unis, et dans un spectre sans licence, comme le 5 GHz.
Cette approche ouvre de nouvelles possibilités pour les entreprises et les
industries de tirer parti de la technologie 5G de spectre sans licence.
Les réseaux 5G devraient fonctionner sur une large gamme de fréquences sous
licence et sans licence dans des bandes de spectre basse, médiane et haute,
mais ces fréquences n'ont pas encore été spécifiquement définies par le 3GPP.
La plupart des bandes actuellement utilisées pour les réseaux 2G, 3G et 4G
seront réaffectées à la technologie de 5G.
Pendant ce temps, l'activité dans le monde a déjà commencé à explorer un
certain nombre de bandes à la fois dans le contexte des bandes entre 24,25
GHz et 86 GHz qui sont à l'étude pour le point 1.13 de l'ordre du jour de la
Conférence mondiale des radiocommunications (CMR) 2019 et sur les bandes
non incluses dans la Point de l'ordre du jour de la CMR.
Enfin, le spectre harmonisé à l'échelle mondiale reste partie intégrante de la
croissance continue de l'industrie mobile et devrait être la pierre de touche
pour la sélection du spectre pour la nouvelle radio 5G.
a. 5G NR et bandes de fréquences
Les gammes de fréquences dans lesquelles 5G NR peut fonctionner dans la
version 15 sont devisés en deux types de plage de fréquences RF1 et RF2, ils
sont définis en 3GPP comme suite :
• FR1 : Gamme de fréquences - Frequency Range- 1, est ce que nous
appelons habituellement sous les 6 GHz et elle est définit de 450 MHz à
6000 MHz.
• FR2 : Gamme de fréquences - Frequency Range- 2. La gamme des
fréquences correspondante à FR2 est de 24,25 GHz à 52,6 GHz.
Dans FR1, la bande passante maximale est de 100 MHz et dans FR2, la bande
passante maximale est de 400 MHz. Certains espacements de sous-porteuses
15, 30 kHz ne peuvent être utilisés que dans FR1, certains espacements de
sous-porteuses 120 kHz peuvent être utilisés uniquement dans FR2, et
certains espacements de sous-porteuses 60 kHz peuvent être utilisés dans les
deux gammes de fréquences.
En outre les bandes NR peuvent être classées en trois catégories :
• Frequency Division Duplex Bands (FDD)
• Time Division Duplex Bands (TDD)
32
• Supplementary Bands : Supplementary Downlink (SDL) Bands &
Supplementary Uplink (SUL) Bands.
FR1 Band Uplink Downlink Duplex
N1 1920 – 1980
MHz
2110 – 2170
MHz
FDD
N2 1850 – 1910 MHz
1930 – 1990 MHz
FDD
N3 1710 – 1785
MHz
1805 – 1880
MHz
FDD
N5 824 – 849 MHz
869 – 894MHz
FDD
N7 2500 – 2570
MHz
2620 – 2690
MHz
FDD
N8 880 – 915 MHz
925 – 960 MHz
FDD
N20 832 – 862
MHz
791–
821MHz
FDD
N28 703 – 748
MHz
758 – 803
MHz
FDD
N38 2570 – 2620
MHz
2570 – 2620
MHz
TDD
N41 2496 – 2690
MHz
2496 – 2690
MHz
TDD
N50 1432 – 1517
MHz
1432 – 1517
MHz
TDD
N51 1427 – 1432
MHz
1427 – 1432
MHz
TDD
N66 1710 – 1780
MHz
2110 – 2200
MHz
FDD
N70 1695 – 1710
MHz
1995– 2020
MHz
FDD
N71 663 – 698 MHz
617 – 652 MHz
FDD
N74 1427 –1470
MHz
1475 – 1518
MHz
FDD
N75 N/A 1432 – 1517 MHz
SDL
N76 N/A 1427 – 1432
MHz
SDL
N77 3.3 – 4.2 GHz 3.3 – 4.2 GHz TDD
N78 3.3 – 3.8 GHz 3.3 – 3.8 GHz TDD
N79 4.4 – 5.0 GHz 4.4 – 5.0 GHz TDD
N80 1710 – 1785
MHz
N/A SUL
N81 880 – 915
MHz
N/A SUL
33
N82 832 – 862
MHz
N/A SUL
N83 703 – 748
MHz
N/A SUL
N84 1920 – 1980
MHz
N/A SUL
FR2 Band Uplink Downlink Duplex
N257 26.5 –29.5
GHz
26.5 –29.5
GHz
TDD
N258 24.25 – 27.5
GHz
24.25 – 27.5
GHz
TDD
N260 3 7–40 GHz 3 7–40 GHz TDD
SUL : Supplementary Uplink
SDL : Supplementary Downlink
NR a introduit une nouvelle notation pour la bande qui commence par N. par
exemple la bande 20 est noté n20.
SDL et SUL permettent la liaison de spectre non apparié avec des bandes FDD
ou TDD, pour améliorer considérablement la capacité du réseau NR et
l'expérience des utilisateurs. Cela fournit un moyen efficace d'utiliser le
spectre car le contenu riche en consommation et les autres applications
lourdes en données sont asymétriques.
b. 5G NR et bandes passantes
La figure montre la définition de la bande passante des canaux et la bande
passante de transmission :
Figure 8 : la bande passante des canaux et de la transmission
34
La bande passante du canal de la station de base prend en charge une seule
porteuse RF NR dans la liaison montante ou descendante. Il est mesuré en
MHz et est utilisé comme référence pour les exigences RF de l'émetteur et du
récepteur.
Différentes largeurs de bande de canal UE peuvent être prises en charge dans
le même spectre pour la transmission vers et la réception des UE connectés à
la station de base.
Le placement de la bande passante du canal UE est flexible mais ne peut être
que complètement dans la bande passante du canal BS (station de base).
La BS doit pouvoir émettre vers et / ou recevoir d'une ou plusieurs parties de
bande passante UE ou porteuses qui sont inférieures ou égales au nombre de
blocs de ressources porteuses sur la porteuse RF, dans n'importe quelle partie
des blocs de ressources.
Les bandes passantes supportés par 5G NR :
• FR1 -inférieure à 6 GHz- : 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 80, 100
MHz
• FR2 -au-dessus de 24,25 GHz- : 50, 100, 200, 400 MHz.
La bande passante de transmission est exprimée en unités de blocs de
ressources. Par exemple ; pour un canal NR de 5 MHz ou une largeur de
bande, la configuration de la largeur de la bande de transmission est égale à
25 blocs radios qui s'étendent sur 4500 kHz.
La largeur de bande minimale du canal - channel bandwidth- (largeur de
bande occupée de la porteuse à un seul composant) est de 5 MHz pour la
gamme de fréquences FR1 et de 50 MHz pour la gamme de fréquences FR2.
Et la bande passante maximale du canal est de 100 MHz pour la gamme de
fréquences FR1 et de 400 MHz pour la gamme de fréquences FR2.
La fréquence de référence RF dans la liaison montante et la liaison
descendante est désignée par le NR-ARFCN sur la trame de fréquence globale.
La relation entre le NR-ARFCN et la fréquence de référence RF en MHz (soient
la liaison descendante ou montante) est donnée par l'équation suivante :
FREF = FREF-Offs + ΔFGlobal (NREF – NREF-Offs)
Les paramètres NR-ARFCN pour des fréquences globales sont résumés sur le
tableau au-dessous.
FR [MHz] Δ
FGlobal[kHz]
FREF-Offs
[MHz]
NREF-Offs Range of
NREF
0 – 3000 5 0 0 0 – 599999
3000 –
24250
15 3000 600000 600000 –
2016666
24250 – 100000
60 24250.08 2016667 2016667 – 3279165
35
NR-ARFCN : NR Absolute Radio Frequency Channel Number
c. Partage du spectre et son utilisation flexible
Il convient de noter que NR soutient une utilisation flexible du spectre grâce
aux mécanismes suivants :
• Coexistence NR-LTE : Soutenir la coexistence efficace entre NR et LTE,
fonctionnant dans la même bande de fréquences sous licence.
• Porteuse à plusieurs composantes : Plusieurs porteuses peuvent être
agrégées pour atteindre jusqu'à 6,4 GHz de bande passante de
transmission.
• Fonctionnement de la partie bande passante : BDP (Bandwidth part
operation) est supporté au niveau du Downlink et Uplink pour améliorer
le mécanisme de Multiple component carriers.
• Allocation flexible des ressources de spectre (Flexible spectrum resource
allocation).
36
5G : techniques de base Accès multiple et ressources physiques
1. Accès multiple
L'accès multiple est une technique qui permet à plusieurs utilisateurs mobiles
de partager le spectre alloué ou bien les ressources radios de la manière la
plus efficace.
5G NR a proposé une combinaison pour le schéma d'accès multiple à sa
propre couche physique : OFDMA, TDMA et SDMA.
Figure 9 : types d’accès multiples (TDMA, FDMA, OFDMA et CDMA)
On va poser la question, quelle est la différence entre tous ces types d’accès
multiples (en commençant par OFDMA, TDMA jusqu’à SDMA) ?
Mais avant de répondre à cette question on note que Les schémas d'accès
multiple non orthogonal NOMA qui ont fait l'objet d'une attention particulière
pour les systèmes 5G ces dernières années ne sont pas pris en charge dans la
version 15 et seront examinés plus en détail dans la version 16.
37
Les schémas non orthogonaux permettent à différents utilisateurs d'utiliser
les mêmes ressources radio et de se relayer sur des algorithmes avancés de
détection multi-utilisateur (MUD) pour récupérer les signaux superposés de
chaque utilisateur.
On fait un retour à notre objectif c’est de détailler OFDM, TDMA et SDMA
comme des techniques supportées par la 5G.
OFDMA
OFDMA est basé sur OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing -
avec un préfixe cyclique (CP) ; la transmission entre différents UEs, utilise des
assignations de fréquence mutuellement orthogonales. Avec une granularité
dans l'attribution du domaine fréquentiel égale à un bloc de ressources
constitué de 12 sous-porteuses.
Plusieurs espacements de sous-porteuses sont pris en charge, notamment 15
kHz, 30 kHz, 60 kHz et 120 kHz pour les données. CP-OFDM est appliqué à
la fois pour la liaison descendante et la liaison montante. L'OFDM à diffusion
DFT peut également être configuré pour une liaison montante.
L’OFDM est un procédé de codage des signaux numériques par répartition en
fréquences orthogonales sous forme de multiples sous-porteuses. Cette
technique est le meilleur moyen actuellement pour lutter contre les canaux
sélectifs en fréquence. Son mécanisme est basé sur des transmissions de
modulation multi porteuse qui divise un flux de donnée à haut débit en
plusieurs flux parallèles à débit binaire inférieur. Chaque flux est modulé sur
des porteuses distinctes.
Pour éviter les interférences, l’OFDM est une méthode de modulation et
OFDMA est le schéma d'accès multiple correspondant.
Dans le cas de l'OFDMA, les sous-porteuses pour plusieurs utilisateurs - au
lieu d'un seul utilisateur - sont multiplexées en un plus grand ensemble de
sous-porteuses auxquelles l'opération IFFT est appliquée. Des informations
sur les sous-porteuses propre à quel utilisateur sont également envoyées dans
la liaison descendante. Un certain utilisateur - par exemple l'utilisateur 3 -
peut alors utiliser les sous-porteuses pertinentes et ignorer les autres sous-
porteuses à l'extrémité de réception.
TDMA
La TDMA - Time Division Multiple Access - est basée sur la transmission vers
/ depuis différents UE avec séparation dans le temps. La granularité dans le
domaine temporel est égale à un créneau constitué de 14 symboles OFDM, ou
2, 4, 7 symboles OFDM dans un mini-créneau. La longueur physique d'une
38
fente varie de 0,125 ms à 1 ms en fonction de l'espacement des sous-
porteuses.
SDMA
La SDMA – Space Division Multiple Access - est connue sous le nom de MIMO
multi-utilisateurs, fait référence à la possibilité de transmettre entre plusieurs
utilisateurs en utilisant la même ressource temps-fréquence dans le cadre des
capacités d'antenne avancées.
En NR, le multiplexage spatial est pris en charge. Les MIMO mono-utilisateur
et multi-utilisateurs sont pris en charge aussi. Un seul mot de code est pris
en charge pour les transmissions de 1 à 4 couches et deux mots de code sont
pris en charge pour les transmissions de 5 à 8 couches en DL. Un seul mot de
code est pris en charge pour les transmissions 1 à 4 couches en UL.
Avant de terminer notre introduction sur l’accès multiple nous accédons à un
nouveau terme qui va nous servir par la suite, c’est la numérologie multiple.
La numérologie fait référence à la configuration des paramètres de forme
d'onde, et différentes numérologies sont considérées comme des sous-trames
basées sur OFDM ayant différents paramètres tels que l'espacement des sous-
porteuses, le temps de symbole, la taille du CP, etc.
Elle est connue par le symbole µ (mu) et prend des valeurs égales à 0, 1, 2, 3
et 4.
2. Ressources physiques
Dans cette partie on va faire un tour sur les éléments des ressources physique
dans le domaine fréquence-temps, en commençant par la grille - Resource grid
- des ressources ensuite ces éléments, ces blocs et enfin la partie de la bande
passante.
a. Grille des ressources
Pour chaque numérologie et porteuse, une grille des ressources 5G NR est
définie comme elle est indiqué dans le graphe au-dessous. Cela ressemble à
une grille de ressources LTE. Mais la dimension physique (c'est-à-dire
l'espacement des sous-porteuses, le nombre de symboles OFDM dans une
trame radio) varie en NR en fonction de la numérologie.
Il existe un ensemble de réseaux de ressources par direction de transmission
(Uplink ou Downlink). Il existe une grille des ressources pour un port
d'antenne p donné, une configuration d'espacement de sous-porteuse µ et une
direction de transmission (liaison descendante ou montante).
39
On constate que la grille des ressources et unique et différente de chaque
numérologie, porteuse, port d’antenne, Uplink et Downlink.
Figure 10 : la grille des ressources physique
b. Elément de la ressource
Chaque élément de la grille de ressource pour le port d'antenne p et la
configuration d'espacement des sous-porteuses µ est appelé élément de
ressource et est identifié d’une manière unique par (k, l) où k est l'indice dans
le domaine fréquentiel et l se réfère à la position du symbole dans le domaine
temporel par rapport à un point de référence.
c. Bloc de la ressource
Un bloc de ressource est défini comme 12 sous-porteuses consécutives dans
le domaine fréquentiel.
Le tableau au-dessous résume les numéros des ressources MAX et MIN pour
les blocs des ressources.
40
Figure 11 : tableau des blocs des ressources
d. Bande passante
Avant d’introduire la partie de la bande passante, on commence par une
notion très importante c’est le Point A. Donc le Point A c’est une référence
commune pour les blocs des ressources et il est obtenu à partir des
paramètres de la couche supérieure et signalé à l'UE. C'est une référence
absolue commune à toutes les porteuses.
Bandwith Part (BWP) c’est un nouveau concept dans 5G NR.
Une petite définition de BWP est dite que Bandwith part est un sous-ensemble
des blocs des ressources communs pour une numérologie donnée dans une
composant de la porteuse, BWP est prise en charge sur la liaison descendante
et la liaison montante.
Les principales utilités de BWP :
• Restreindre la bande passante en fonction des capacités de l'UE
• BWP compatible avec toutes les catégories des UE
• Réduisez / augmentez dynamiquement la bande passante en fonction
de la quantité de trafic afin d'optimiser la consommation d'énergie de
l'UE.
Autre information sur BWP :
• Jusqu'à 4 BWP peuvent être configurés par direction
• Une seule BWP est activée à la fois par UE
• Transporte tous les Tx/Rx de n'importe quel canal physique
• Les ressources physiques sont identifiées dans BWP.
Figure 12 : Illustration des notions du Point A, BWP, CRB et PRB
41
CRB : Common Resource Block
PRB : Physical Resource Block
Les CRB sont numérotés de 0 et plus dans le domaine fréquentiel pour la
configuration d'espacement des sous-porteuses.
Les blocs de ressources physiques sont définis dans une partie de la bande
passante (BWP).
Dans une porteuse, une partie de la bande passante est prise en charge sur
les liaisons descendantes et montantes. Du point de vue du réseau, différentes
parties de la bande passante peuvent être associées à différentes numérologies
(espacement des sous-porteuses, préfixe cyclique).
Pour la configuration de BWP, les principaux paramètres RRC fournissent : la
position de départ du BWP, sa taille, l'espacement de sous-porteuse associé.
BWP utilise 3 types de bande, le 1er type est Initial, il est utilisé pour établir
une connexion de signalisation entre UE et gNB. Le 2ème est l’Actif ; utilisé
pour la transmission des données DL et UL en utilisant la numérologie
associée. Et le dernier type c’est BWP par défaut.
42
5G : techniques de base Structure de la trame radio
Dans ce chapitre on va entamer la structure de la trame radio NR, la
description de la structure d’un Slot et Mini-Slot et enfin l’explication des
différents modèles des Slots.
Figure 13 : la structure du radio frame
En 5G NR, les transmissions descendantes et montantes sont organisées en
trames d'une durée de 10 ms, constituées de dix sous-trames de 1 ms. Chaque
trame radio est divisée en deux demi-trames de même taille de cinq sous-
trames chacune.
Chaque sous-trame est constituée d'un nombre de fentes dépendant de
l'espacement des sous-porteuses OFDM. Chaque slot se compose de 14
symboles OFDM.
L’avantage de 5G NR par apport LTE est que LTE utilise une numérologie fixe
d'espacement de sous-porteuses (SCS) de 15 kHz, tandis que NR Release-15
a une numérologie évolutive avec des espacements de sous-porteuses de 15,
30 et 60 kHz en dessous de 6 GHz, et 60 et 120 kHz au-dessus de 6 GHz. En
utilisant des numérologies plus élevées en NR, la durée des slots diminue, ce
qui est bénéfique pour les latences les plus faibles.
Plus d’explication pour ce dernier point :
• 15 kHz SCS : 1 ms slot, 1 slot par sub-frame
• 30 kHz SCS : 0.5 ms slot, 2 slots par sub-frame
43
• 60 kHz SCS : 0.25 ms slot, 4 slots par sub-frame
• 120 kHz SCS : 0.125 ms slot, 8 slots par sub-frame
• 240 kHz SCS : 0.0625 ms slot, seulement pour la signalisation et non
pour les données.
Maintenant on passe à la description du Slot et Mini-Slot et la différence entre
ces deux termes.
En fonction du ratio du symbole UL / DL, on peut définir 56 formats de slot
différents à but de fournir une transmission plus agile et une opération de
planification TDD flexible, où le rapport UL / DL pourrait être ajusté aux
besoins actuels du trafic.
Puisqu'un Slot est défini comme un nombre fixe de symboles OFDM, un
espacement de sous-porteuse plus élevé conduit à une durée de slot plus
courte. En principe, cela pourrait être utilisé pour prendre en charge une
transmission à faible latence, mais comme le préfixe cyclique se rétrécit
également lors de l'augmentation de l'espacement des sous-porteuses, ce n'est
pas une approche réalisable dans tous les déploiements. Par conséquent, la
5G NR prend en charge une approche plus efficace pour la faible latence en
permettant la transmission sur une fraction d'un slot, ce que l'on appelle la
transmission Mini-Slot.
La différence entre un Slot et Mini-Slot se résume dans les points suivants ;
pour un Slot, il est basé sur la planification, 14 symboles OFDM, une unité de
planification possible et la durée des créneaux est échelonnée avec
l'espacement des sous-porteuses = 1 ms / 2^µ. Or le Mini-Slot se présente par
une planification basée sur les Non-Slots, 7, 4 ou 2 symboles OFDM et enfin
il s’agit une unité de planification minimale.
Les modèles du Slot peuvent avoir une longueur et une structure différentes
en fonction de la numérologie, le rapport de DL-UL, la périodicité de la SSB
(SS burst), la périodicité PRACH et le nombre de slots.
Des exemples pour les Slots :
Pour les fréquences inférieures à 6 GHz on a 8 faisceaux (beams) sont
configurés, pas de configuration PRACH, différents rapports de liaison
descendante / montante c-à-d DL/UL et la taille du slot pattern est de 40 slots
(SlotPatternLength = 40 slots).
Pour la gamme des fréquences 2 FR2 (pour les fréquences supérieures à 6
GHz), 32 faisceaux sont configurés, une seule configuration PRACH et
différents rapports de liaison montante/descendante, et la taille du slot
pattern est de 320 slots (SlotPatternLength = 320 slots).
44
Les slots SSB pour les fréquences supérieures à 6 GHz utilisent la numérologie
µ = 4 (espacement des sous-porteuses de 240 kHz), pour regrouper 32 blocs
SS contenant des informations sur 32 faisceaux dans un plus petit nombre
de créneaux SCS de 120 kHz.
L’avantage qui vient avec la NR par apport à LTE c’est que l’allocation des
ressource TDD pour UL et DL se fait d’une manière dynamique et flexible de
plus chaque symbole OFDM peut être attribué dynamiquement pour une
transmission UL ou DL, la lecture de l’attribution des liaisons DL et UL
contenues dans les canaux PDCCH et enfin les UE acquièrent dynamiquement
le créneau ou une partie de la configuration du créneau.
45
5G : techniques de base Canaux
Chaque couche de la pile protocolaire (PHY, MAC, RLC, PDCP, SDAP) offre des
services à la couche supérieur. La communication se fait à travers des canaux
bien spécifiques. Dans ce chapitre on va focaliser sur 3 catégories des canaux
radios (las canaux physiques, transports et logiques).
Figure 14 : mappage des canaux physique, transport et logique
La figure montre le mappage entre les canaux logiques et les canaux de
transport et le mappage entre les canaux de transport et les canaux
physiques. On commence par la description des canaux physiques ensuite on
passe aux canaux de transports et on termine avec les canaux logiques.
a. Canaux physiques
On se basant sur la figure en haut les canaux physiques sont devisés en
canaux de liaison UL et autres pour DL.
Un canal physique Downlink correspond à un ensemble d'éléments de
ressources transportant des informations provenant de la couche supérieure.
On site les canaux suivants :
• PDSCH : Physical Downlink Shared Channel,
• PDCCH : Physical Downlink Control Channel,
• PBCH : Physical Broadcast Channel
Un canal physique de liaison montante UL correspond à un ensemble
d'éléments de ressources transportant des informations provenant de la
couche supérieure. Les canaux physiques de liaison montante UL suivants
sont définis comme suit :
46
• PRACH : Physical Random Access Channel,
• PUSCH : Physical Uplink Shared Channel,
• PUCCH : Physical Uplink Control Channel.
b. Canaux de transport
On trouve comme des canaux de transport pour le Downlink :
• DL-SCH : Downlink Shared Channel,
• BCH : Broadcast channel,
• PCH : Paging channel.
Or pour l’Uplink on définit :
• UL-SCH : Uplink Shared Channel,
• RACH : Random Access Channel.
c. Canaux logiques
Les canaux logiques peuvent deviser en 2 catégories ; les canaux de contrôle
et les canaux de trafic (Data).
• Broadcast Control Channel (BCCH) : c’est un canal de Downlink pour
les systèmes de control d’information.
• Paging Control Channel (PCCH) : dédié pour le Downlink et il transfère
des informations de pagination et les notifications de modification des
informations du système.
• Common Control Channel (CCCH) : la transmission des informations
du control entre UE et le réseau.
• Dedicated Control Channel (DCCH) : un canal bidirectionnel point à
point qui transmet des informations de commande dédiées entre un UE
et le réseau.
• Dedicated Traffic Channel (DTCH) : il support UL et DL.
Maintenant on va détailler chacun de ces canaux, on commence par PBCH
(Physical Broadcast Channel).
• PBCH est transmis avec le PSS / SSS (primary and secondary
synchronization signals).
• Le codage polaire est utilisé pour PBCH
• PBCH utilise QPSK pour la modulation
• Les symboles PBCH portent leur propre DMRS (DeModulation Reference
Signal) multiplexé en fréquence.
47
Le 2ème canal est PDCCH, son rôle est de transmettre les données de contrôle
DCI (Downlink Control Information) pour le Downlink vers UE. Le DCI est
utilisé pour programmer les transmissions DL sur PDSCH et les transmissions
UL sur PUSCH.
• Le codage polaire est utilisé pour PBCH
• PBCH utilise QPSK pour la modulation
• Nombre de bits codés est fournis par le niveau d'agrégation
• Plus le nombre de CCE (Control Channel Elements) est élevé, plus le
taux de code est bas
• Le niveau d'agrégation peut être sélectionné dynamiquement en
fonction des conditions RF UE
PUCCH est un canal physique de liaison montante qui transporte les
informations de contrôle de liaison montante (UCI) de l'UE vers le gNB.
La signalisation de la commande de la liaison montante peut être à la fois
multiplexée dans le temps avec les données du même UE et multiplexée en
temps et en fréquence avec la commande et les données d'autres UE lorsque
l'UE n'a pas de données à transmettre.
• Codage de canal : codes de bloc pour les petites charges et codes
polaires pour les grandes charges.
• Modulation : π/2-BPSK, BPSK et QPSK.
Le canal de contrôle physique de l’UL prend en charge 5 formats PUCCH, en
fonction de la durée du PUCCH et la taille de la charge utile UCI :
-Format 0 : court PUCCH, de 1 ou 2 symboles avec des petites charges utiles
UCI (Uplink Control Information) jusqu'à deux bits avec multiplexage UE dans
le même PRB ; Basé sur la sélection de séquence.
-Format 1 : long PUCCH, de 4 à 14 symboles avec des petites charges utiles
UCI jusqu'à deux bits avec multiplexage dans le même PRB
-Format 2 : court PUCCH, de 1 ou 2 symboles avec des grandes charges utiles
UCI de plus de deux bits sans multiplexage dans le même PRB ;
-Format 3 : long PUCCH, de 4 à 14 symboles avec des charges utiles UCI
modérées avec une certaine capacité de multiplexage dans le même PRB ;
-Format 4 : long PUCCH, de 4 à 14 symboles avec des grandes charges utiles
UCI et sans capacité de multiplexage dans le même PRB.
Physical Downlink Shared Channel PDSCH est un canal physique pour la
transmission des données de type DL de gNB vers UE.
Les types des données supportés par ce canal est des données d’utilisateur et
donnée pour les informations du système.
• Codage de canal : LDPC (Low density parity check)codes.
48
• Modulation : QPSK, 16QAM, 64QAM et 256QAM.
Pour PDSCH, UE-specific Demodulation RS (DM-RS) peut être utilisé pour
l'estimation du canal de liaison descendante pour une démodulation
cohérente de PDSCH.
UE-specific Phase Tracking RS (PT-RS) peut être utilisé en plus du DM-RS
dans PDSCH pour corriger l'erreur de phase commune entre les symboles
PDSCH qui ne contient pas au DM-RS. Il peut également être utilisé pour le
suivi du canal.
Le canal PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) est utilisé pour la
transmission des données utilisateur dans la liaison montante. Les ressources
utilisées par PUSCH sont affectées individuellement à chaque UE à l'aide des
subventions UL. Il est également possible de configurer une planification de
liaison montante semi-persistante.
• Codage de canal : LDPC codes.
• Formes d'onde : CP-OFDM et DFT-s-OFDM
• Modulation :
CP-OFDM : QPSK, 16QAM, 64QAM et 256QAM
DFT-s-OFDM : π/2-BPSK, 16QAM, 64QAM et 256QAM.
Le dernier canal dans ce chapitre est PRACH (Physical Random Access
Channel).
Ce canal est utilisé par l'équipement utilisateur pour accéder au réseau
mobile. Le PRACH se compose d'un préfixe cyclique, d'un préambule d'accès
aléatoire et d'une période de garde. Des séquences de préambule à accès
aléatoire support deux longueurs différentes. Longue séquence de longueur
839 est appliquée avec des espacements de sous-porteuses de 1,25 et 5 kHz
et les courts séquences à des langueurs de 139 sont appliquées avec des
espacements de sous-porteuse de 15, 30, 60 et 120 kHz.
49
5G : techniques de base Codage et Modulation Généralisant les schémas de modulation et du codage, on commence par la
suite de traitement au niveau DL de la couche physique.
• Codeur du canal : LDPC (Low density parity check) utilise un codage
polaire au niveau du DL pour la correction d’erreurs de signalisation,
de même pour l’UL sauf on trouve des codes polaires pour les grandes
charges et des codes en blocs pour les petites charges.
• Mappage de la modulation : BPSK, QPSK et QAM.
• Transformation du pré-codage : DFT est utilisé seulement pour UL. Pour
la 5G NR, la forme d'onde UL sera supporté par deux options. L'un est
CP-OFDM (identique à la forme d'onde DL) et l'autre est DFT-s-OFDM
qui est identique à la forme d'onde LTE UL. Le pré-codage est la première
étape pour créer une forme d'onde DFT-s-OFDM.
• Cartographie des ressources affectées et des ports d'antenne.
a. Codage canal
Lorsque on parle du codage de canal on désigne les canaux PDSCH et PUSCH.
Ce codage est utile pour les canaux bruités or la partie CRC à un rôle de
vérifier l’intégrité du message envoyé au niveau du récepteur, et comme au
niveau du LTE la segmentation du code-bloc est donnée par la figure au-
dessous :
Figure 15 : la segmentation du code-bloc
CRC est codé sur 24 bits pour TBs supérieur à 3824, sinon 16 bits.
Le schéma du codage canal est une combinaison de détection d'erreur, de
correction d'erreur, d'adaptation de débit, d'entrelacement et de canal de
transport. Les schémas de codage de contrôle d'erreur et entrelacement
utilisés pour la 5G NR que ce soit UL ou DL sont résumé dans les points
suivantes :
50
Pour le codage des données le codage LDPC de taux 1/3 ou 1/5, combiné avec
une correspondance de taux basée sur la perforation / répétition pour obtenir
un taux de code global souhaité. Le codeur du canal LDPC facilite les
implémentations des décodeurs à faible latence et à haut débit.
Les codes polaires sont utilisés pour les canaux PDCCH.
Pour le contrôle L1 / L2 on se base sur des tailles UCI (Uplink Control
Information) supérieures à 11 bits et codage polaire, combiné avec une
correspondance de débit basée sur la perforation / répétition pour obtenir un
taux de code global souhaité.
On va essayer de détailler les types de codage canal, en commençant par
LDPC.
Les codes LDPC sont des codes blocs avec PCM (Parity Check Matrices) qui ne
contiennent qu'un très petit nombre d'entrées non nulles.
Figure 16 : Exemple de la matrice PCM
H c’est la matrice PCM, elle est connue aussi sous le nome la matrice
Harmonique, son rôle est de définir la matrice génératrice.
Principaux avantages de LDPC :
• Débit élevé avec une complexité gérable (décodage parallèle dans le
matériel)
• Bonne performance
• Adaptable à une large gamme des taux de code et des tailles des blocs
• Bien adapté à IR-HARQ.
On passe au codage polaire.
Le code polaire est un nouveau schéma du codage canal prometteur pour
approcher la capacité du canal de communication. Le code polaire fonctionne
51
toujours avec une taille de mot de code mère N, avec N = 2^n et n appartient
à l’ensemble Z.
Principaux avantages des codes Polaires :
• Les codes les plus performants
• Faible complexité algorithmique
• Aucun plancher d'erreur.
Il existe d’autre technique de codage comme les Turbo codes, cette technique
utilisé par 3G, HSPA et LTE, elle fournit des performances d'erreur similaires
à celles de nombreuses autres techniques de codage.
On résume la différence et l’utilité de chaque technique du codage de canal
qu’on a vu dans les paragraphes précédents ;
LDPC, Turbo et Polaire ont des performances de liaison similaires pour les
applications gourmandes en données et les capacités approchant le décodage
itératif.
LDPC présente un avantage clair par rapport à Turbo et certains par rapport
code Polaire pour la complexité de mise en œuvre pour les cas à haut débit.
LDPC a été choisi pour la solution du codage canal or le code polaire est utilisé
pour le codage de contrôle L1.
b. Modulation
La modulation est utilisée pour faciliter le transfert de l'informations sur un
support. Par exemple, pour étendre la portée de votre voix, elle peut être
transmise via une ligne téléphonique ou une ligne radio. Le processus de
conversion de votre voix pour l'envoyer sur les ondes radio ou fils s'appelle la
modulation.
Dans le processus de modulation, un signal périodique appelé porteur -
généralement une onde sinusoïdale - a ses propriétés qui peuvent modifier
(amplitude, phase ou fréquence) en fonction d’un signal modulant contenant
des informations à transmettre.
On parle de trois types de modulation : modulation d’amplitude, de phase et
fréquence.
Le mappeur de modulation prend des chiffres binaires ; 0 et 1 comme entrée
et il produit des symboles de modulation à valeurs complexes en sortie.
5G NR support plusieurs techniques de modulation comme π/2-BPSK, QPSK,
16QAM, 64QAM et 256QAM pour les informations de contrôle et le transfert
des données.
52
Pour la modulation de phase la 5G NR support π/2-BPSK et QPSK.
Pour la modulation de phase et d’amplitude la 5G NR support 16QAM, 64QAM
et 256QAM aussi 1024QAM pour les futures releases (1024QAM pour les
versions au-delà de la version15).
En pratique, la transmission radio est obstruée par des interférences (signaux
provenant de stations de base voisines ou d'appareils utilisateurs) ou de bruit.
La modulation d'ordre supérieur (16QAM, 64QAM, 256QAM) ne peut être
utilisée que dans les bonnes conditions du canal.
La qualité des conditions du canal radio peut être exprimée en tant que
rapport signal sur bruit (SNR) ou rapport signal sur interférence et bruit
(SINR).
53
5G : techniques de base Massive MIMO et Beamforming
Massive MIMO est l'extension de la technologie MIMO traditionnelle aux
réseaux d'antennes ayant un grand nombre d'antennes contrôlables qui est
supérieur à 8 antennes. Et le Beamforming tridimensionnelle fait référence à
l'utilisation de massive MIMO pour les faisceaux de direction à la fois dans les
dimensions horizontales et verticales.
Ces nouvelles techniques a conduit à nombreux améliorations comme
l’amélioration de la couverture et la capacité du réseau.
Pour les antennes on trouve 3 catégories : une antenne passive, active et
adaptative. Antenne passive : ne comprend que des éléments rayonnants,
mais peut également inclure des déphaseurs pour permettre l'inclinaison à
distance. Antenne active : les pièces radio et antenne sont intégrées dans une
seule unité physique. Antenne adaptative : elle contrôle de manière adaptative
sa réponse de modèle pendant qu'elle fonctionne en réponse à l'environnement
du signal.
Le système Massive-MIMO est une introduction de l'antenne active au réseau
plan 2D.
Quelques points importants :
• Le nombre d'émetteurs définit le nombre de faisceaux simultanés
pouvant être créés.
• Plus d'émetteurs plus de capacité Mais plus d'émetteurs augmente
également le poids, la consommation d'énergie et le coût.
• Le nombre d'éléments d'antenne définit le gain d'antenne qui contrôle
la couverture.
• Plus d'éléments d'antenne donne plus de couverture Mais augmente
aussi la taille de l'antenne.
a. Massive MIMO
MIMO en anglais est Multiple Input Multiple Output, c’est une technique de
transmission et de réception multi-antennes. Pour la 5G NR on va parler de
massive MIMO c-à-d nombre d’antennes au niveau d’émission et réception
sera supérieur à 64 antennes pour chaque côté (au moins 64x64 MIMO).
Le concept de base MIMO est illustré dans cette la figure 17. Avec MIMO,
plusieurs utilisateurs spatialement séparés sont pris en charge par le réseau
d'antennes dans la même ressource de temps et de fréquence.
54
Figure 17 : Concept de base de la technique MIMO
Les canaux sans fil (canaux bruités) impact et change la phase et l’amplitude
des symboles envoyés par Tx. Donc un canal est connu par ces coefficient hij
connus, pour cela les inconnus au niveau de Rx sont les symboles envoyés
par le transmetteur.
Message reçu = H x Message envoyer ; la matrice H c’est la matrice des
coefficients de propagation (les coefficients de propagations sont les hij).
b. Beamforming
Beamforming est une technique de traitement du signal utilisée pour la
transmission ou la réception des signaux directionnels. Ceci est réalisé en
combinant des éléments dans un réseau d'antennes de telle sorte que les
signaux à des angles particuliers subissent des interférences constructives
tandis que d'autres subissent des interférences destructives. Beamforming
peut être utilisée aux extrémités d'émission et de réception afin d'obtenir une
sélectivité spatiale.
Figure 18 : illustration du Beamforming
55
La direction du faisceau ou bien le Beam peut être ajustée par la mise en
phase relative des émetteurs dans l'antenne massive MIMO. Lorsque les
multiples transmissions sont reçues d’une manière constructive par le
dispositif, le signal est amplifié. Lorsque les multiples transmissions sont
reçues d’une manière destructive, le signal est remis à zéro.
Le Beamforming peut deviser en trois catégories : Digital, Analogique et
Hybride.
Avec Beamforming digital, le Beamforming se fait entièrement dans le domaine
numérique, ce qui permet à plusieurs faisceaux et plusieurs flux de sortir du
même réseau d'antennes. La formation de faisceaux numérique prend en
charge de nombreux schémas de contrôle pour augmenter la capacité, y
compris des faisceaux spécifiques à l'utilisateur et une grille adaptative de
faisceaux. Chaque élément rayonnant a un émetteur-récepteur séparé en
formation de faisceau numérique.
Quelques caractéristiques de Digital Beamforming :
• Liaison réseau TX / RX en bande de base
• Un seul émetteur-récepteur par antenne
• Sélective en fréquence
• Flexibilité élevée
• Consommation d'énergie élevée et caractéristiques de coût
• Idéal pour les fréquences LTE, les basses fréquences et cmWave où le
nombre d'antennes est limité.
En cas de Beamforming analogique ; le Beamforming se fait dans le domaine
analogique en changeant la phase et l'amplitude de chaque élément d'antenne.
Chaque réseau a un émetteur-récepteur unique par polarisation.
Pour l’architecture RF de Analog Beamforming ou Beamforming analogique on
site :
• Émetteur-récepteur unique par faisceau RF
• Plate en fréquence
• Poids non sélectifs de fréquence appliqués à RF
• Faible flexibilité
• Meilleure consommation d'énergie et meilleures caractéristiques de coût
• Idéal pour les fréquences moyennes et mmWave.
Beamforming hybride est une combinaison de Beamforming analogique et
numérique. Lorsqu'une partie de Beamforming est dans le domaine
analogique, le nombre d'émetteurs-récepteurs est typiquement bien inférieur
au nombre d'antennes physiques, ce qui peut simplifier la mise en œuvre
notamment dans les bandes à hautes fréquences. Cette technique convient
aux ondes millimétriques.
56
Grace à la combinaison du massive MIMO et le Beamforming le MU-MIMO est
apparaitre ; chaque utilisateur a son Beam dédié qui est créé dans le domaine
numérique en fonction du retour d'information du dispositif et / ou en
fonction des mesures du canal de liaison montante Uplink. Les mesures de
liaison montante peuvent être utilisées pour la formation des faisceaux de
liaison descendante Downlink dans TDD car la même fréquence est utilisée
pour la liaison montante et pour la liaison descendante.
c. NR-MIMO vs LTE MIMO
NR-MIMO offre des améliorations en termes de performances, d'efficacité,
d'évolutivité et de flexibilité par rapport à LTE MIMO.
La fiche au-dessous décrit les améliorations de la 5G NR par rapport à LTE
Pro Rel-15.
LTE-A Pro Rel-15 :
• Objectif : Amélioration de l'efficacité spectrale
• Fonctionnement du multi-beam : pas de spécification.
• Transmission Uplink : jusqu'à 4 couches par UE et jusqu'à 8 couches
pour MU-MIMO.
• Transmission Downlink : jusqu'à 8 couches par UE et jusqu'à 4 couches
pour MU-MIMO.
• Signal de référence : Motif fixe, frais généraux et jusqu'à 32 ports
d'antenne TX (CSI-RS).
NR Rel-15 :
• Objectif : Amélioration de l'efficacité spectrale et aussi la couverture du
réseau.
• Fonctionnement du multi-beam : Mesure du faisceau, Indication du
faisceau et la récupération de panne du faisceau.
• Transmission Uplink : jusqu'à 4 couches par UE et jusqu'à 12 couches
pour MU-MIMO.
• Transmission Downlink : jusqu'à 8 couches par UE et jusqu'à 12
couches pour MU-MIMO.
• Signal de référence : Modèle configurable, frais généraux, jusqu'à 32
ports d'antenne TX (CSI-RS) et la prise en charge au-dessus de 6 GHz.
57
5G : techniques de base Gestion des faisceaux
Dans la 5G NR, la gestion des faisceaux – Beam management - est un
ensemble de procédures pour aider l'UE à définir ses faisceaux de réception
et d'émission. Il est composé de quatre opérations différentes : indication du
faisceau, mesures et l’indication du faisceau, récupération du faisceau, enfin
le suivi et le raffinement du faisceau. Ces procédures sont répétées
périodiquement pour mettre à jour la paire optimale des faisceaux émetteur
et récepteur pour tout le temps.
a. Accès initial (initial access)
Dans l'accès initial, la gestion des faisceaux repose sur des déterminations
implicites des faisceaux DL et UL utilisés.
Figure 19 : détermination du meilleur Beam pour UL et DL
Au premier temps la gNB transmet des blocs de signaux de synchronisation
(SSB). L'UE reçoit et recherche un SSB de qualité suffisamment bonne pour
établir la liaison de pair - Downlink et Uplink - de faisceaux initiale.
En deuxième temps la gNB reçoit sur le canal PRACH et l'UE transmettra une
séquence spécifique, appelée préambule PRACH dans un temps
correspondant au SSB choisi. Cela établira les faisceaux initiaux de
transmission et de réception pour la gNB.
58
b. État connecté (connected state)
La gestion du faisceau pendant les états connectés repose sur des moyens
contrôlés par gNB pour déterminer et sélectionner les faisceaux DL et UL
utilisés : gNB transmet un signal de référence spécifique pour la gestion du
faisceau et l'UE détecte le signal et effectue certaines mesures et envoie des
commentaires au réseau.
L'UE ne verra pas seulement les différentes cellules, il détectera également
plusieurs faisceaux de la cellule qui lui serve et celles des cellules voisines.
c. Mesure du faisceau (Beam measurements)
Les mesures des cellules et des faisceaux sont configurées et rapportées à
l'aide du protocole RRC. Les faisceaux individuels sont mesurés pour la
planification et la gestion des faisceaux. Plusieurs faisceaux peuvent être
mesurés pour dériver la qualité des cellules pour la mobilité.
Les signaux de référence de mesure DL et UL les plus pertinents sont pris en
charge par la 5G NR.
d. Récupération du faisceau (Beam recovery)
La récupération du faisceau est une fonction exécutée sur les couches de
protocole PHY et MAC.
MAC lancera la procédure BFR (Beam Failure Recovery) lorsque le niveau de
signal deviendra très mauvais.
Un préambule d'accès aléatoire peut être attribué par le réseau à des fins de
récupération de panne de faisceau si les faisceaux candidats n’existent pas.
59
5G : techniques de base Procédure de synchronisation
Dans ce chapitre on va aborder la procédure de recherche de la cellule
adéquate par UE pour une meilleur synchronisation.
La recherche de cellule est la procédure par laquelle une UE acquiert une
synchronisation temporelle et fréquentielle avec une cellule en détectant l’ID
de la couche physique de cette cellule. Une UE reçoit les signaux de
synchronisation (SS) suivantes pour effectuer une recherche de cellule :
• Le signal de synchronisation primaire (PSS)
• Le signal de synchronisation secondaire (SSS).
PSS est utilisé pour la limite de symbole initiale, le préfixe cyclique, la limite
de sous-trame, la synchronisation de fréquence initiale avec la cellule.
SSS est utilisé pour l'identification des limites des trames radio. PSS et SSS
sont utilisés pour la détection de l'ID de la cellule.
On résume les principales informations sur la procédure de recherche de
cellule dans les points suivants :
• UE acquiert une synchronisation temporelle et fréquentielle avec une
cellule et détecte l'ID de la couche physique de cette cellule.
• UE reçoit les signaux de synchronisation PSS et SSS pour effectuer la
recherche de cellule.
• UE doit supposer que les occasions de réception d'un PBCH, d'un PSS
et d'un SSS sont dans des symboles consécutifs et forment un bloc SS
/ PBCH (SSB).
• Pour une demi-trame avec SSB, le nombre et les premiers index de
symboles pour le SSB candidat sont déterminés en fonction de
l'espacement des sous-porteuses de SSB.
• Les SSB candidats dans une demi-trame sont indexés dans un ordre
croissant dans le temps.
• UE peut être configurer par le paramètre SSB-transmis-SIB1, index des
SSB pour lesquels l'UE ne doit pas recevoir d'autres signaux ou canaux
dans les RE qui se chevauchent avec les RE correspondant aux SSB.
• UE peut supposer que les demi-trames avec SSB se produisent avec une
périodicité de 2 trames.
La question qui se pose c’est à propos de SSB, donc quelle est la position
temps-fréquence du bloc SS ?
En LTE, les signaux de synchronisation PSS, SSS et PBCH sont situés au
centre de la porteuse et sont transmis toutes les 5 ms. Ainsi, en s'attardant
sur chaque fréquence porteuse possible pendant au moins 5 ms, un dispositif
60
assure le recevoir au moins d’une transmission PSS / SSS / PBCH si une
porteuse existe à la fréquence spécifique. Sans aucune connaissance a priori,
un appareil doit rechercher toutes les fréquences porteuses possibles sur une
trame porteuse de 100 kHz. Pour permettre des performances énergétiques
plus élevées du réseau NR, le bloc SS est par défaut transmis une fois toutes
les 20 ms et par suite le bloc SS ne sera généralement pas situé au centre de
la porteuse NR.
Le pointeur des blocs SS permet de réduire considérablement le temps de
recherche initiale des cellules et au même temps les performances
énergétiques du réseau peut être améliorée en raison de la période de blocage
SS la plus longue.
Le balayage du faisceau (beam sweeping) côté réseau est pris en charge à la
fois pour la transmission du bloc SS de liaison descendante et la réception
d'accès aléatoire de liaison montante comme moyen d'améliorer la couverture,
en particulier dans le cas d'un fonctionnement à des fréquences plus élevées.
L’allocation des ressources SSB dans le domaine temporel est très compliqué
dans la 5G NR par rapport à LTE ; plusieurs formes sont définies et le tableau
au-dessous les rassembles :
Sous-porteuses
Le 1er index du symbole pour SSB candidate
F <= 3Ghz F entre 3Ghz et 6Ghz
F > 6Ghz
15 KHz {2,8} + 14 n n = 0,1 n = 0,1,2,3
30 KHz {4,8,16,20}+28n n = 0 n = 0,1
30 KHz {2,8} + 14 n n = 0,1 n = 0,1,2,3
120 KHz {4,8,16,20} + 28n
n=0, 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8,
10, 11, 12,
13, 15, 16, 17, 18
240 KHz {8, 12, 16, 20,
32, 36, 40, 44} + 56n
n=0, 1, 2, 3,
5, 6, 7, 8
SS Block Burst Set
C’est la collection des blocs SSB avec un nombre maximum L de blocs SS,
dans l'ensemble de SS Block Burst est en fonction de la bande de fréquence
spécifiée dans NR.
• Pour des fréquences inférieures à 3GHz, L = 4
• Pour des fréquences entre 3GHz et 6GHz, L = 8
• Pour les mmWaves (FR2) on a L = 64.
61
Les SSB sont numérotés de 0 à L-1 dans l'ensemble du SS Burst Set. L’indice
du SSB est transporté dans le PBCH. Aussi la position fixe de chaque SSB
situe au niveau de la demi-trame radio.
Figure 20 : Architecture du SS Burst Set
La figure montre la relation et le mappage entre tous les éléments qu’on a
indiqués précédemment (SS Burst Set, SS Burst et SS Block).
62
5G : techniques de base Procédure d'accès aléatoire
Lorsque on désigne la procédure d’accès aléatoire on cible le canal RACH.
L'accès initial signifie une séquence de processus entre l'UE et gNB afin que
l'UE réalise la synchronisation de liaison montante et obtienne la ressource
pour le message de demande de connexion RRC.
La procédure d'accès aléatoire peut être basée sur un conflit ou sans conflit
(par exemple pendant le transfert vers une nouvelle cellule). Les ressources et
les paramètres d'accès aléatoire sont configurés par le réseau et signalés à
l'UE (via diffusion ou signalisation dédiée). Pour la procédure qui se base sur
le conflit les UE sélectionnent au hasard le préambule et plus d’une UE peut
sélectionner le même préambule, par contre pour la procédure qui ne se base
pas sur le conflit le gNB dédie un préambule à l'UE, aucune collision possible
aussi l’utilisé lors du Handover.
L'objectif principal de la procédure RACH est d’obtenir les ressources pour le
Msg3 (message de UE vers gNB ; plus détail au-dessous), attribuer un
identifiant unique pour communiquer avec l'UE via l'interface radio (C-RNTI)
et enfin la synchronisation initiale L1.
Pour mieux comprendre RACH on doit d’abord définir c’est quoi un préambule.
Figure 21 : architecture du préambule
Donc le préambule de PRACH compose d'un préfixe cyclique de longueur TCP
et d'une partie de séquence de longueur TSEQ. Selon le format, le préambule
peut avoir une période de garde (GP). Deux longueurs différentes sont prises
en charge pour les préambules PRACH. La longueur de séquence longue 839
est appliquée avec des espacements de sous-porteuses de 1,25 et 5 kHz et la
longueur de séquence courte 139 est appliquée avec des espacements de sous-
porteuse de 15, 30, 60 et 120 kHz.
Les préambules de PRACH support plusieurs formats et parmi elles on site :
• Format 0 pour 1.25 KHz.
• Format 1 pour 1.25 KHz.
63
• Format 2 pour 1.25 KHz.
• Format 3 pour 5 KHz.
Figure 21 : les différentes formes des préambules
Plusieurs formats de préambule RACH sont définis avec un ou plusieurs
symboles OFDM RACH et différents préfixes cycliques et temps de garde. La
configuration du préambule PRACH à utiliser est fournie à l'UE dans les
informations du système.
La procédure d'accès aléatoire basée sur la contention englobe la transmission
d'un préambule d'accès aléatoire par l'UE (sous réserve d'un conflit éventuel
avec d'autres UE), suivie d'une réponse d'accès aléatoire (RAR) dans DL (y
compris l'allocation des ressources radios spécifiques pour la transmission de
la liaison montante). Ensuite, l'UE transmet le message UL initial (par
exemple, demande de connexion RRC) en utilisant les ressources allouées, et
attend un message de résolution de conflit dans le DL (pour confirmer l'accès
à cet UE). L'UE pourrait effectuer plusieurs tentatives jusqu'à ce qu'il
réussisse à accéder au canal ou jusqu'à ce qu'un temporisateur (supervisant
la procédure) se soit écouler.
La procédure d'accès aléatoire basée sur la non-contention prévoit
l'attribution d'une ressource / préambule d'accès aléatoire dédié à une UE.
Cela évite la phase de résolution des conflits, c'est-à-dire que seul le
préambule d'accès aléatoire et les messages de réponse d'accès aléatoire sont
nécessaires pour obtenir l'accès au canal.
La procédure de RACH se base sur 4 étapes ; RACH msg1, RACH msg2, RACH
msg3 et RACH msg4. Pour plus de détails :
64
RACH msg1 (UE vers gNB) - Préambule d'accès aléatoire- :
• Sélection du préambule.
• Préambule aléatoire dans l'ensemble de la contention.
• Préambules basés sur le SSB.
RACH msg2 (gNB vers UE) -Random access response RAR dans PDSCH- :
À la réception de Msg1, gNB créera un contexte UE temporaire et planifiera
une subvention pour la réponse d'accès aléatoire (RAR) L'UE utilise le faisceau
pour recevoir tel qu'il est utilisé pour la transmission de PRACH.
RACH msg3 (UE vers gNB) :
Le paramètre de la couche supérieur msg3-tp indique à une UE si l'UE doit
ou non appliquer un pré-codage pour une transmission du Msg3 PUSCH. La
ressource de transmission et la forme d'onde du Msg.3 doivent être signalées
à l'UE.
RACH msg4 (gNB vers UE) :
Msg4 est envoyé par PDSCH pour la résolution du conflit.
Comme on a terminé les étapes de RACH, on va discuter l’impact du
Beamforming sur l’accès initial de la procédure et aussi l’association du
PRACH et SSB.
La conception du PRACH doit prendre en compte le principe de formation de
faisceau. Il n'y a pas de couverture DL continue avec les canaux de contrôle
et de manière équivalente, il n'y a pas d'espace d'écoute actif tout le temps
pour les canaux communs sur la liaison montante UL. L'UE transmet PRACH
sur un ensemble de ressources en fonction du meilleur index de temps SSB.
Les informations du système informent l'UE de l’association entre le SSB dans
le SS Burst Set et le sous-ensemble de ressources PRACH. L'UE sélectionne
la ressource PRACH sur la base du meilleur faisceau DL déterminé à partir
des mesures RS sur un balayage DL périodique. Ensuite, il notifie le gNB avec
le meilleur SSB en utilisant la ressource PRACH correspondante pour ce SSB.
De plus, sur la base de cette association le gNB peut dériver les faisceaux DL
transmettant le SSB reçu par l'UE, en détectant l'occasion RACH ou l'indice
de préambule PRACH. Ensuite, il transmet une réponse d'accès aléatoire
(RAR) c-à-d Msg2 via les faisceaux dérivés.
On termine ce chapitre par un résumé de la procédure de la sélection d’un
faisceau par PRACH :
• L'UE sélectionne le bloc SS / PBCH pour la sélection du préambule
PRACH parmi ceux qui sont au-dessus du seuil donné
65
• S'il n'y a aucun bloc SS / PBCH au-dessus du seuil, l'UE peut choisir
n'importe quel bloc SS / PBCH pour l'association
• Le préambule PRACH transmis indique à gNB le faisceau de blocs SS /
PBCH qui doit être utiliser pour la programmation de retransmission
des messages : Msg2, Msg3 et Msg4.
66
5G : techniques de base Allocation et planification des ressources
Pour ce chapitre les principaux axes seront ; le control d’information pour DL
et UL, l’allocation des ressources dans les 2 domaines (temporelle et
fréquentiel) et enfin les principes de planification des ressources radios.
a. Contrôle d’information
DCI c’est le contrôle des informations au niveau de la liaison descendante, il
sert à transférer les informations de planification pour les deux liaisons ;
montante UL et descendante DL, il demande des rapports apériodiques CQI
ou bien il de commandes le contrôle de puissance de liaison montante pour
une cellule et un RNTI.
Le tableau au-dessous résume les formats DCI.
DCI format
0_0
Planification de PUSCH dans une cellule - planification
compacte d'un mot de code
DCI format 0_1
Planification de PUSCH dans une cellule - capacité de
planification complète, y compris cross-carrier, BWP,
codebook, pré codage, CBG
DCI format
1_0
Planification de PDSCH dans une cellule DL - planification
compacte d'un mot de code
DCI format
1_1
Planification de PDSCH dans une cellule - capacité de
planification complète, y compris cross-carrier, BWP, 2
mots de code, pré codage, CBG
DCI format
2_0
Notification du format de l'emplacement (c.-à-d.
Configuration UL / DL des symboles dans un emplacement)
DCI format
2_1
Notification au PRB et aux symboles OFDM lorsque l'UE peut supposer qu'aucune transmission n'est destinée à
l'UE
DCI format 2_2
Transmission des commandes (TPC) pour PUCCH et PUSCH
67
DCI format 2_3
Transmission d'un groupe de commandes pour les
transmissions SRS par un ou plusieurs UE. Avec une commande TPC, une demande SRS peut également être
transmise.
Le canal PDCCH spécifique à l'UE est utilisé pour programmer les
transmissions DL sur PDSCH et les transmissions UL sur PUSCH. Les
informations de contrôle de liaison descendante (DCI) sur PDCCH
comprennent :
Des attributions de liaison descendante contenant au moins un format de
modulation et de codage, une allocation des ressources et des informations
hybrides ARQ liées à DL-SCH.
Attributions d'ordonnancement de liaison montante contenant au moins un
format de modulation et de codage, une allocation des ressources et des
informations hybrides ARQ liées à UL-SCH.
b. Allocation des ressources DT
DT : domaine temporel.
NR prend en charge la gestion dynamique et flexible des ressources radio par
la planification des paquets qui alloue et désalloue les ressources aux paquets
du plan utilisateur et plan de contrôle.
NR prend en charge les données et le contrôle avec la même numérologie. NR
prend en charge au moins la planification des emplacements identiques et
croisés pour DL et UL. Le temps entre l'affectation de DL et la transmission
des données DL correspondante est indiqué par un champ dans le DCI à partir
d'un ensemble de valeurs et ce dernier est configuré par la couche supérieure.
L'allocation de ressources pour la transmission des données pour un UE non
capable de prendre en charge la bande passante de la porteuse peut être
dérivée sur la base d'un processus d'attribution de domaine de fréquence en
deux étapes, c'est-à-dire, indication d'une partie de bande passante (1ère
étape) et indication des PRB dans la bande passante (2ème étape).
L'allocation des ressources PDSCH est fournie dans le DCI sur PDCCH. Le DCI
fournit également le décalage du slot (K0) entre le PDCCH de planification et
le PDSCH programmé ainsi que le décalage du slot (K1) et la sélection de
ressources PUCCH pour le HARQ-ACK
68
Figure 22 : allocation des ressources dans le domaine temporel
Les 3 champs k0 / k2, SLIV sont envoyés dynamiquement à l'UE dans le DCI
à l'aide d'un index faisant référence à une configuration RRC.
• S : Numéro du premier symbole PDSCH dans le slot.
• L : Nombre des symboles PDSCH consécutifs alloués.
Dans le domaine temporel, il existe plusieur types de mappages pour PDSCH
et PUSCH. On commence par le type A où l’allocation du slot avec PxSCH se
fait à partir des premières positions. Et le type B est connu par l’attribution
des mini-emplacements avec une position de départ flexible. En projetant les
2 types de mappages sur les canaux PxSCH.
PDSCH :
Type A : départ du symbole S : 0, 1, 2, 3 pour un slot. Et la taille L : 3 – 14
symboles. Type B : départ du symbole S : tout et la taille L : 2, 4, 7 symboles.
PUSCH :
Type A : départ du symbole S : 0 pour un slot. Et la taille L : 4 – 14 symboles.
Type B : départ du symbole S : tout et la taille L : 1 - 14 symboles.
c. Allocation des ressources DF
DF : domaine fréquentiel.
Dans le domaine fréquentiel, la 5G NR permet de planifier un PDSCH et un
PUSCH au moins avec une forme d'onde CP-OFDM avec une allocation des
ressources importante et une allocation des ressources réduite de manière
dynamique.
69
L’allocation des ressources dans le domaine fréquentiel support 2 types ; type
0 et type 1. Pour le type 0 on parle du Bitmap c-à-d chaque bit est correspond
à un groupe de RB défini par les paramètres des couches hautes. Or pour le
type 1, les informations d'affectation RB indiquent à un UE programmé un
ensemble de RB virtuels localisés ou distribués d’une manière contiguë dans
la partie de la bande passante de la porteuse qui est active.
Si le DCI de planification est configuré pour indiquer le type d'allocation de
ressources du DL dans le cadre du champ d'affectation de ressources dans le
domaine fréquentiel en définissant un paramètre de couche supérieure
resourceAllocation, l'UE doit utiliser l'allocation de ressources de liaison
descendante de type 0 ou de type 1 comme défini par ce champ DCI. Dans le
cas contraire, l'UE utilisera le type d'allocation de ressources de fréquence de
liaison descendante tel qu’il est défini par le paramètre de la couche
supérieure.
d. Planification des ressources
L'ordonnanceur NR attribue des ressources entre les UE, en tenant compte de
l'état de la mémoire tampon de l'UE et des exigences de qualité de service de
chaque UE et des supports radio (RB) associés. Le planificateur peut attribuer
des ressources en tenant compte des conditions radios au niveau de l'UE
identifiées par des mesures effectuées au niveau du gNB et / ou rapportées
par l'UE. Les planificateurs attribuent des ressources radio dans une unité
TTI (par exemple, un mini-slot, un slot ou plusieurs slots) et aussi l’affectation
des ressources se compose des ressources radios (des blocs de ressource).
Signalisation des décisions du planificateur :
• Les UE identifient les ressources en recevant un canal de
programmation.
• Dans la liaison descendante, le gNB peut allouer dynamiquement des
ressources aux UE via le C-RNTI sur un ou plusieurs PDCCH.
• Dans la liaison montante, le gNB peut allouer dynamiquement des
ressources aux UE via le C-RNTI sur un ou plusieurs PDCCH.
• Lorsque CA est configuré, le même C-RNTI s'applique à toutes les
cellules.
Les mesures pour soutenir le fonctionnement du planificateur :
• Les rapports UBS (Uplink Buffer Status) sont utilisés pour prendre en
charge la planification des paquets prenant en charge la qualité de
service QoS.
• Les rapports PHR (Power HeadRoom) sont utilisés pour prendre en
charge la planification des paquets en fonction de l'alimentation.
70
5G : techniques de base Modèle QoS
Le 5GC prend en charge un cadre de qualité de service (QoS) plus granulaire
et basé sur le flux par rapport à la QoS basée sur le support statique d'EPC,
ce qui signifie que la QoS peut être assurée sur la base d'une application. Pour
les services en temps réel tels que AR / VR, ce nouveau Framework de QoS
garantira un niveau optimal d'expérience utilisateur.
Figure 23 : les flux de qualité de service QoS
La 5G NR n’a pas de notion du porteuse (bearers en anglais) mais elle introduit
à sa place les flux de QoS (QoS flow). Tout le trafic dans le même flux QoS
reçoit le même traitement QoS. Les flux QoS sont créés dynamiquement sans
avoir besoin de la signalisation E2E (End to End). Les flux de courte durée
peuvent recevoir un traitement QoS différencié sans établir des supports EPS.
L'architecture de QoS pour la 5G doit détecter et différencier les flux des sous-
services de courte durée.
Quelque information à propos du flux de QoS (QoS flow) :
Un flux QoS est la plus fine granularité de différenciation QoS au sein d'une
session PDU. Aussi une session PDU peut avoir plusieurs flux QoS avec un
flux QoS par défaut. Les paquets de données utilisateur sont mappés aux flux
QoS au niveau de l'UE (UL) et du 5GC UPF (DL). UE et NG-RAN mappe les flux
71
QoS à DRB (sur la base de la décision NG-RAN). Des DRB séparés peuvent
être établis pour les flux QoS nécessitant un traitement de transmission de
paquets différent, ou plusieurs flux QoS appartenant à la même session PDU
peuvent être mappés vers le même DRB.
Un seul tunnel NG-U / N3 transporte tous les flux QoS d'une session PDU (en
cas de double connectivité, il peut y avoir plus d'un tunnel NG-U, c'est-à-dire
un vers MN et un vers SN).
QFI c’est QoS Flow ID, son rôle est de faire identifier le flux de QoS dans les
systèmes 5G.
Le modèle QoS 5G prend en charge à la fois les flux QoS qui nécessitent un
débit binaire garanti (flux QoS GBR) et les flux QoS qui ne nécessitent pas de
débit binaire garanti (flux QoS non GBR).
Les caractéristiques QoS 5G standardisées ou préconfigurées sont dérivées de
la valeur 5QI et ne sont pas explicitement signalées. Les caractéristiques de
QoS signalées font partie du profil QoS. Les caractéristiques QoS consistent
par exemple en :
• Type de ressource (GBR, délai critique GBR ou non-GBR)
• Niveau de priorité
• Taux de retard du paquet
• Taux d'erreur du paquet
• Fenêtre moyenne
• Volume de données maximum.
On va essayer de découvrir comment les systèmes 5G implémentes la gestion
de QoS au niveau du DL et UL. Pour le Downlink l’UPF mappe le flux de
données de service (SDF) aux flux QoS ensuite l’UPF exécute l'application
AMBR de session et effectue également le comptage PDU pour la prise en
charge de la charge, après l’UPF transmet les PDU de la session PDU dans un
tunnel unique entre 5GC et RAN, l'UPF inclut le marquage du plan utilisateur
dans l'en-tête d'encapsulation. De plus, UPF peut inclure une indication
d'activation de QoS réfléchissante dans l'en-tête d'encapsulation.
Le RAN mappe les PDU des flux QoS aux ressources spécifiques à l'accès en
fonction du QFI et des caractéristiques et paramètres de QoS 5G associés.
Enfin si la QoS réflexive s'applique, l'UE crée une nouvelle règle de QoS
dérivée. Le filtre de paquet dans la règle de QoS dérivée est dérivé du paquet
DL, et le marquage du plan utilisateur de la règle de QoS dérivée reçoit le
marquage du plan utilisateur du paquet DL.
Pour la liaison montante l’UE utilise les règles de QoS stockées pour
déterminer le mappage entre les SDF et le flux QoS. L'UE transmet les PDU
72
UL en utilisant la ressource spécifique d'accès correspondante pour le flux
QoS sur la base du mappage fourni par RAN.
RAN transmet les PDU sur un tunnel bien spécifique (tunnel X) vers UPF. Lors
du passage d'un paquet UL du RAN au CN, le RAN détermine la valeur QFI,
qui est incluse dans l'en-tête d'encapsulation de l'UL PDU, et sélectionne le
tunnel X.
UPF vérifie si les QFI dans les PDU UL sont alignés avec les règles de QoS
fournies à l'UE ou implicitement dérivées par l'UE. Et enfin l’UPF exécute
l'application AMBR de session et le comptage des paquets pour la facturation.
73
5G : techniques de base Mobilité
Avant d’entamé les principaux points de la mobilité pour la 5G on note
quelques points importants comme des notions de base :
Le protocole RRC est responsable des aspects de mobilité dans la 5G NR et il
est identique à celle d’eUTRAN.
Dans la 5G NR, le terme Handover fait référence au processus de transfert
d'une connexion utilisateur en cours d'un canal radio à un autre. Si l'UE actif
en raison de son mouvement peut être servi d'une manière plus efficace dans
une autre cellule, un transfert ou bien le Handover est effectué.
Il existe deux catégories de Handover pour la 5G NR ; le premier type est
contrôlés par le réseau et le deuxième est contrôlés par l'UE.
• Le Handover contrôlé par le réseau est appliqué aux UE 5G NR en mode
RRC CONNECTED. Ce transfert contrôlé par le réseau est classé en
deux types : niveau de la cellule et niveau du faisceau (beam).
• Le Handover contrôlé par l'UE basée sur la configuration du réseau est
appliquée dans les UE 5G NR. Les UE sont à l'état RRC Idle ou RRC
Inactive.
Figure 24 : les états RRC
Les états RRC sont des compromis entre la consommation d'énergie de l'UE,
la précision des informations de localisation et la capacité de transmission des
74
données instantanées. NG-RAN prend en charge les différents états et
transitions d'états illustrés sur le graphique au-dessus.
UE est soit à l'état RRC_CONNECTED, soit à l'état RRC_INACTIVE lorsqu'une
connexion RRC a été établie. Si ce n'est pas le cas, c'est-à-dire qu'aucune
connexion RRC n'est établie, l'UE est dans l'état RRC_IDLE.
Le mode IDLE fait référence à un état de l’UE similaire à l'état LTE IDLE et
l'état RRC_INACTIVE est un nouvel état RRC introduit dans NR.
Dans les modes RRC Idle et RRC INACTIVE, la mobilité contrôlée par l'UE
basée sur la configuration du réseau est effectuée.
Dans l'état connecté RRC, la mobilité contrôlée par le réseau y compris les
mesures est effectuée.
L'introduction de l'état RRC-inactive dans la machine d'état RRC permet à l'UE
de maintenir la connexion RRC dans un état inactif tout en ayant les
caractéristiques d'économie de batterie du mode veille.
On résume les états de transition RRC sous la forme suivante :
• De RRC_IDLE vers RRC_CONNECTED : configuration de la connexion
RRC
• De RRC_CONNECTED vers RRC_IDLE : libération de la connexion RRC
• De RRC_INACTIVE vers RRC_CONNECTED : reprise de la connexion
RRC
• De RRC_CONNECTED vers RRC_INACTIVE : suspension de connexion
RRC
• De RRC_INACTIVE vers RRC_IDLE : libération de la connexion RRC
• De RRC_IDLE vers RRC_INACTIVE : non pris en charge.
UE dans l'état RRC_INACTIVE peut être configuré avec un RNA (RAN-Based
Notification Area) où :
• RNA peut couvrir une ou plusieurs cellules et doit être contenu dans la
zone d'enregistrement CN.
• RNAU (RAN-based notification area update) est périodiquement envoyé
par l'UE et il est également envoyé lorsque la procédure de resélection
de cellule de l'UE sélectionne une cellule qui n'appartient pas à RNA
configuré.
a. Mesures RRM en NR
Les mesures de la couche physique NR pour l'UE et le NG-RAN sont les
suivantes :
Secondary Synchronization Reference Signal Received Power (SS-RSRP)
75
Elle est définie comme la moyenne linéaire sur les contributions de puissance
(en W) des éléments de ressource (RE) qui transportent des signaux de
synchronisation secondaires (SS).
CSI reference signal received power (CSI-RSRP)
Il est défini comme la moyenne linéaire sur les contributions de puissance (en
W) des éléments de ressource qui transportent les signaux de référence CSI
configurés pour les mesures RSRP dans la bande passante de fréquence de
mesure considérée dans les occasions CSI-RS configurées.
Secondary Synchronization Reference Signal Received Quality (SS-RSRQ)
Il est défini comme le rapport N × SS-RSRP / NR porteur RSSI, où N est le
nombre des blocs des ressources dans la bande passante de mesure RSSI
porteuse NR. Les mesures du numérateur et du dénominateur doivent être
effectuées sur le même ensemble des blocs des ressources. Or NR RSSI
comprend la moyenne linéaire de la puissance totale reçue (en W) observée
uniquement dans certains symboles OFDM des ressources temporelles de la
mesure, dans la bande passante de mesure, sur N blocs des ressources de
toutes les sources, y compris le service Co-canal et les cellules non desservies,
interférence avec les canaux adjacent, bruit thermique, etc.
CSI reference signal received quality (CSI-RSRQ)
Il est défini comme le rapport N × CSI-RSRP / CSI-RSSI, où N est le nombre
de blocs de ressources dans la bande passante de mesure CSIRSSI. Les
mesures du numérateur et du dénominateur doivent être effectuées sur le
même ensemble de blocs de ressources. Et le CSI RSSI comprend la moyenne
linéaire de la puissance totale reçue (en W) observée uniquement dans les
symboles OFDM des ressources temporelles de la mesure, dans la bande
passante de mesure, sur N nombre de blocs de ressources de toutes les
sources, y compris les cellules de desserte et de non-desserte Co-canal,
interférence avec les canaux adjacent, bruit thermique, etc.
Synchronization Signal Signal-To-Noise and Interference Ratio (S S-SINR)
Il est défini comme la moyenne linéaire de la contribution de puissance (en W)
des RE transportant des signaux SS divisée par la moyenne linéaire de la
contribution du bruit et de la puissance d'interférence (en W) sur les RE
transportant des signaux SS dans la même bande passante de fréquence.
CSI signal-to-noise and interference ratio (CSI-SINR)
Est définie comme la moyenne linéaire sur la contribution de puissance (en
W) des éléments de ressource transportant des signaux de référence CSI
divisée par la moyenne linéaire de la contribution de bruit et de puissance
d'interférence (en [W]) sur les éléments de ressource transportant des signaux
de référence CSI dans la même largeur de bande de fréquence.
E-UTRA Reference Signal Received Power (E-UTRA RSRP)
76
Il est défini comme la moyenne linéaire sur les contributions de puissance (en
W) des éléments de ressource qui transportent des signaux de référence
spécifiques à la cellule dans la bande passante de fréquence de mesure
considérée.
E-UTRA Reference Signal Received Quality (E-UTRA RSRQ)
Il est défini comme le rapport N × E-UTRA RSRP / (RSSI porteuse E-UTRA),
où N est le nombre de RB de la bande passante de mesure RSSI porteuse E-
UTRA. Les mesures du numérateur et du dénominateur doivent être effectuées
sur le même ensemble de blocs de ressources.
Ces mesures peuvent être classées en différents types de mesures rapportées
: mesures intra-fréquences, inter-fréquences, inter-systèmes, volume de trafic,
qualité et mesures internes à l'UE.
b. Mobilité pour les états RRC IDLE et RRC Inactive
La sélection PLMN, les procédures de sélectionner et de resélectionner la
cellule et l'enregistrement d'emplacement sont communs aux états RRC_IDLE
et RRC_INACTIVE.
La procédure de sélection de la cellule est résumée sur le schéma au-dessous :
Figure 25 : la sélection de la cellule
77
PLMN : Public Land Mobile Network
Dans la 5G NR, la sélection de la cellule est validée lorsque la valeur de Srxlev
> 0 et Squal > 0.
On note que :
• Srxlev Cell selection RX level value (dB)
• Squal Cell selection quality value (dB)
• Qrxlevmeas Measured cell RX level value (RSRP)
• Qqualmeas Measured cell quality value (RSRQ)
• Qoffsettemp Offset temporarily applied to a cell (dB)
• Qrxlevmin Minimum required RX level in the cell (dBm)
• Qqualmin Minimum required quality level in the cell (dB).
• Qrxlevminoffset Offset to the signalled Qrxlevmin.
• Qqualminoffset Offset to the signalled Qqualmin.
Srxlev = Qrxlevmeas – (Qrxlevmin + Qrxlevminoffset) – Pcompensation –
Qoffsettemp
Squal = Qqualmeas – (Qqualmin + Qqualminoffset) – Qoffsettemp
La resélectionne de cellule identifie la cellule sur laquelle l'UE doit pris en
charge. Cette procédure est basée sur des critères qui impliquent des mesures
des cellules, soient celle chargé de manipuler l’UE et les autres cellules
adjacents. La resélectionne intra-fréquence est basée sur le classement des
cellules. Et la resélectionne inter-fréquences est basée sur des priorités
absolues où l’UE essaie de camper sur la fréquence disponible de priorité la
plus élevée.
Une liste de cellules voisines peut être fournie par la cellule serveuse pour
traiter des cas spécifiques de cellules voisines intra et inter-fréquences. Or des
listes noires peuvent être fournies pour empêcher l'UE de resélectionner des
cellules voisines intra- et inter-fréquences spécifiques. De plus une
hiérarchisation spécifique au service impact la vitesse de la resélectionne de
la cellule.
c. Mobilité en mode connecté
Dans la 5G NR, non seulement la mobilité inter-cellule, mais aussi intra-
cellulaire doit être prise en compte. On désigne par la mobilité intra-cellule la
mobilité entre les Beams.
• La mobilité entre les cellules nécessite le déclenchement d'une
signalisation RRC explicite, c'est-à-dire un transfert intercellulaire. Pour
78
le transfert inter-gNB, la demande de transfert, l'accusé de réception de
transfert, la commande de transfert, la procédure complète de transfert
sont pris en charge entre le gNB source et le gNB cible. La libération des
ressources au niveau du gNB source pendant la phase d'achèvement du
transfert est déclenchée par le gNB cible.
• La mobilité intra-cellule ne nécessite pas le déclenchement d'une
signalisation RRC explicite (elle est traitée dans les couches inférieures)
et RRC n'est pas tenue de savoir quel faisceau est utilisé à un instant
donné.
Les mesures des cellules et des Beams sont configurées et rapportées à l'aide
du protocole RRC. Les Beams individuels sont mesurés pour la planification
et la gestion des Beams. Or plusieurs Beams peuvent être mesurés pour
dériver la qualité des cellules pour la mobilité. D’ailleurs les mesures du Beam
peuvent être basées sur des signaux NR-SS / blocs SS (configuration
commune pour tous les UE) ou sur des signaux CSI -RS (configuration
spécifique à l'UE).
Dans les systèmes basés sur des faisceaux (des Beams), la qualité des cellules
est dérivée sur la base des mesures de niveau du faisceau consolidée :
Figure 26 : model de mesure du Beam
Filtrage de la couche 1 :
Les entrées mesurées ont commencé à partir du point A, aussi le filtrage exact
dépend de l'implémentation, ainsi il introduit un certain niveau de moyennage
de mesure.
79
Consolidation et Selection du Beam :
Les mesures spécifiques au beams sont consolidées pour obtenir la qualité
des cellules, le comportement de la consolidation / sélection du beam est
standardisé enfin la configuration est assurée par la signalisation RRC.
Filtrage de la couche 3 pour la qualité des cellules :
Le filtrage est effectué sur les mesures de qualité des cellules. Et la
configuration de ces filtres est assurée par la signalisation RRC.
Évaluation des critères de déclaration :
Se charge de l'évaluation des événements et cette évaluation peut être basée
sur plus d'un flux de mesures, on parle aussi de la standardisation des
critères et enfin la configuration est assurée par la signalisation RRC.
Filtrage du L3 Beam :
Le filtrage est effectué sur des mesures spécifiques au faisceau. Aussi la
configuration de ce type des filtres est assurée par la signalisation RRC.
Sélection du Beam pour la signalisation :
Le comportement de la sélection des Beams est standardisé et comme
d’habitude La configuration est assurée par la signalisation RRC.
On ne peut pas parler de la mobilité dans les réseaux mobiles sans parler du
Handover, pour ça on va essayer de découvrir ce terme avant de terminer ce
chapitre de mobilité. Le Handover dans les systèmes 5G se devise en 2 parties ;
intra-système et inter-système. Pour le premier type le Handover comporte
intra-NR Handover et inter-RAT Handover et le deuxième type est supporté
entre 5GC et EPC.
• Le Handover entre NR dans 5GC et E-UTRA dans EPC est pris en charge
via le Handover inter-RAT.
• Le Handover entre E-UTRA dans 5GC et E-UTRA dans EPC est pris en
charge via le Handover intra-E-UTRA.
Maintenant on passe à la procédure du Handover pour les systèmes 5G NR.
Le gNB source lance le Handover et émet une demande de transfert via
l'interface Xn. Après le gNB cible effectue le contrôle d'admission et fournit la
configuration RRC dans le cadre de l'accusé de réception de transfert. Ensuite
le gNB source fournit la configuration RRC à l'UE dans la commande de
transfert. Le message de commande de transfert comprend au moins l'ID de
cellule et toutes les informations requises pour accéder à la cellule cible afin
que l'UE puisse accéder à la cellule cible sans lire les informations système.
Dans certains cas, les informations requises pour l'accès aléatoire basé sur la
contention et sans contention peuvent être incluses dans le message de
80
commande de transfert. Les informations d'accès à la cellule cible peuvent
inclure des informations spécifiques au faisceau dans le cas échéant.
Après, la transmission des données, la livraison en séquence et l'évitement de
la duplication lors du transfert peuvent être garantis entre la gNB cible et gNB
source. Le gNB cible envoie un message PATH SWITCH REQUEST à l'AMF
pour déclencher le 5GC pour commuter (switcher) le chemin de données DL
vers le gNB cible et pour établir une instance d'interface NG-C vers le gNB
cible. 5GC switch le chemin de données DL vers le gNB cible et l'AMF confirme
le message PATH SWITCH REQUEST avec le message PATH SWITCH
REQUEST ACKNOWLEDGE. En envoyant le message UE CONTEXT
RELEASE, le gNB cible informe le gNB source du succès du transfert et
déclenche la libération des ressources par le gNB source.
Figure 27 : la procédure du Handover dans les systèmes 5G
81
5G : techniques de base Contrôle de puissance
a. Le contrôle de puissance
Au niveau de Uplink, les contrôles de puissance en boucle ouverte et en boucle
fermée sont pris en charge.
La commande de puissance de liaison montante est indépendante des
données de liaison montante (PUSCH), la commande de liaison montante
(PUCCH), le signal de référence de sondage SRS et aussi les transmissions
PRACH. Il est basé à la fois sur des mesures d'intensité du signal effectuées
par l'équipement utilisateur lui-même (contrôle de puissance en boucle
ouverte), ainsi que sur des mesures effectuées par le gNB. Ces dernières
mesures sont utilisées pour générer des commandes de contrôle de puissance
qui sont ensuite envoyées vers les terminaux dans le cadre de la signalisation
de contrôle de liaison descendante DL (contrôle de puissance en boucle
fermée).
Le contrôle de puissance pour l’Uplink sert à déterminer la puissance des
transmissions PUSCH, PUCCH, SRS et PRACH. Or l'UE doit déterminer les
puissances d'émissions PUSCH, PUCCH, SRS et PRACH pendant leur période
d'émission selon les formules au-dessous (unité en dB) :
PCMAX,f,c (i) : puissance d'émission configurée par l'UE pour la porteuse ƒ et
la cellule serveuse c.
PO_PUSCH,f,c (j) = Po_NOMINAL_PUSCH,f,c (j) + PO_UE_PUSCH,f,c (j)
PLb,f,c (qd) : estimation de l'affaiblissement sur le trajet descendant en dB
calculée par l'UE à l'aide du ressource de signal de référence (RS).
82
b,f,c (i) : Fournit un index sur l'ensemble alpha P0-pusch
TF,f,c (i) : Facteur dû au codage
f f,c (i,l) : Facteur de la boucle fermée
: Configuration d'espacement des sous-porteuses
f = 2^ 15[kHz]
PO_SRS,b,f,c (qs) : est fourni par le paramètre de couche supérieure p0 pour
UL BWP actif b de la porteuse f de la cellule serveuse c et l'ensemble de
ressources SRS qs fourni par les paramètres de la couche supérieure SRS-
ResourceSet et SRS ResourceSetId.
MSRS,b,f,c (i) : Bande passante SRS exprimée en nombre de blocs des
ressources pour la période de transmission SRS.
SRS,b,f,c (qs) : est fourni par le paramètre alpha de la couche supérieure
pour UL BWP b actif de la porteuse f de la cellule c et l'ensemble de ressources
SRS qs.
h b,f,c (i,l) = f b,f,c (i,l) : c’ est l'état actuel de réglage de la commande de
puissance PUSCH.
PLb,f,c (qd) : est une estimation de la perte de chemin de liaison descendante
en dB calculée par l'UE à l'aide de l'indice de ressource RS.
PPRACH,target,f,c : c’est la puissance de réception PRACH cible fournie par les
couches supérieures.
PLb,f,c : c’est une perte de chemin pour l'UL BWP active b de la porteuse f
basée sur le DL RS associé à la transmission PRACH sur le DL BWP actif de
la cellule de desserte c.
Le contrôle de puissance dans le Downlink est spécifique à l'implémentation
du réseau et sort donc du domaine d'application de la spécification. Une
stratégie de contrôle de puissance simple et efficace consiste à transmettre
avec une puissance de sortie constante.
b. Allocation de puissance
Comme objectif des mesures de CSI-RSRP, CSI-RSRQ et CSI-SINR, l'UE peut
supposer que l'EPRE (Energy Per Resource Element) de liaison descendante
d'un port de la configuration des ressources CSI-RS est constante sur la bande
passante de la liaison descendante et constante sur tous les symboles OFDM.
Or l’EPRE c’est l’énergie associée à un élément de ressource.
83
La puissance d’un port d’antenne par sous-porteuse à travers le canal PDSCH
(Downlink) est calculée comme suit :
PPDSCH = PCC – 10.log (NSC/RB x NRB)
PCC : la puissance d’une porteuse
NSC/RB : le nombre des sous-porteuses par bloc de ressource.
NRB : le nombre des blocs des ressources physiques.
Le SS / PBCH SSS EPRE de liaison descendante peut être dériver de la
puissance d'émission de liaison descendante SS / PBCH donnée par le
paramètre SS-PBCH-BlockPower :
SS/PBCH SSS EPRE = SS-PBCH-BlockPower
Si le bloc SS / PBCH donnée par le paramètre SS-PBCH-BlockPower et du
décalage de puissance CSI-RS donné par le paramètre powerControlOffsetSS,
donc :
CSI-RS EPRE = SS-PBCH-BlockPower + powerControlOffsetSS
Le tableau au-dessous résume le rapport entre PDSCH EPRE et DM-RS EPRE
(en dB) :
Nombre des groupes
DMRS CDM sans données
Configuration DMRS
type 1
Configuration DMRS
type 2
1 0 dB 0 dB
2 -3 dB -3 dB
3 --- -4.77 dB
Pour l’Uplink la puissance d’un port d’antenne est calculée sous la forme :
PPTRS = PPUSCH – PTRS/PUSCH en dBm
Pour PTRS, la puissance d'émission de PTRS est dérivée de ρ PTRS/PUSCH
qui est le rapport de puissance entre la puissance de PUSCH et la puissance
de PTRS par port. Il est introduit dans la 5G NR pour permettre la
compensation du bruit de phase de l'oscillateur.
ρ PTRS/PUSCH Une couche PUSCH
2 couches PUSCH avec le
ratio ρ est
complétement cohérent
2 couches PUSCH avec
le ratio ρ est
Partiel et non cohérent et
non basé sur
un livre de codes
00 0 3 3Qp-3
84
01 0 3 3
10 Réservé
11 Réservé
Note :
Le tableau en haut pour les ratios ρ PTRS/PUSCH applicable lorsque le pré-
codage de la transformation n’est pas activé, aussi si l’UE ou bien le terminal
est configuré avec le paramètre de couche supérieure UL PTRS-present sur
ON (activé).
85
5G : techniques de base Double connectivité Multi-RAT
La multi-connectivité fait référence au fonctionnement du réseau où un
équipement utilisateur donné est configuré et desservi par les ressources radio
à partir de plusieurs points du réseau.
Dans la 5G NR, Multi-RAT Dual Connectivity (MR-DC) est une généralisation
de la double connectivité Intra-E-UTRA (DC) où un UE dans
RRC_CONNECTED est configuré pour utiliser les ressources radio fournies
par deux programmateurs distincts, situés dans deux différents nœuds NG-
RAN connectés via un Backhaul non idéal et fournissant soit E-UTRA (c'est-
à-dire si le nœud est un ng-eNB) ou un accès NR (c'est-à-dire si le nœud est
un gNB).
Un nœud agit en tant que nœud maître (MN) et l'autre en tant que nœud
secondaire (SN). Le MN et le SN sont connectés via une interface réseau et au
moins le MN est connecté au réseau central.
La connectivité multiple à plusieurs bénéfices pour les réseaux mobiles,
comme l’amélioration du QoS et la couverture du réseau, une mobilité fluide
et enfin l’amélioration du débit.
En LTE, la connectivité multiple au niveau du plan utilisateur a été déjà
adopté, on parle de l’agrégation des ressources radio dans plus d'un eNB pour
la transmission des données du plan utilisateur. Mais, le plan de contrôle ainsi
que la mobilité sont toujours dans une seule cellule. Or il existe 3 méthodes
pour la connectivité multiple :
• Multi-connectivité complète (les 2 plans de contrôle et d’utilisateur sont
supportés).
• Multi-connectivité du plan utilisateur.
• Multi-connectivité du plan de contrôle.
En introduisant quelques notions à propos les cellules et les eNBs avant de
découvrir la multi-connectivité dans les réseaux 5G NR :
• Cell Group (CG) : groupe de cellules serveuses associé au MeNB (Master
eNB ou SeNB (Secondary eNB).
• Master Cell Group (MCG) : groupe de cellules associé au MeNB, y
compris Pcell
• Secondary cell group (SCG) : groupe de cellules associé au SeNB, y
compris PSCell
• PCell : la cellule primaire dans un MCG
• SCell : la cellule secondaire.
• PSCell : SCell primaire dans un SCG
86
L'interfonctionnement entre E-UTRA et NR est pris en charge avec le
fonctionnement MRDC (Multi RAT Dual Connectivity) utilisant E-UTRA et NR.
Deux types de MR-DC sont pris en charge :
• M R-DC avec EPC : c’est la double connectivité E-UTRA-NR (EN-DC)
entre LTE et 5G. eNB est le nœud maître (MN) et gNB agit comme nœud
secondaire (SN). L'eNB est connecté à l'EPC via l'interface S1 et à l'en-
gNB via l'interface X2. Un en-gNB peut également être connecté à l'EPC
via l'interface S1-U et d'autres en-gNB via l'interface X2-U.
• MR-DC avec 5GC - NG-RAN E-UTRA-NR Dual Connectivity (NGEN-DC)
: eNB est MN et gNB est SN, Le ng-eNB est connecté au 5GC et le gNB
est connecté au ng-eNB via l'interface Xn.
• MR-DC avec 5GC - N R-E-UTRA Dual Connectivity (NE-DC) : gNB est
MN et eNB est SN, le gNB est connecté au 5GC et le ngeNB est connecté
au gNB via l'interface Xn.
Semblable à la double connectivité LTE, MN est responsable du Handover et
SN fournit un déchargement pour augmenter le débit des données.
Dans MR-DC, il existe une interface entre le MN et le SN pour la signalisation
et la coordination du plan de contrôle. Pour chaque UE MR-DC, il existe
également une connexion du plan de contrôle entre le MN et une entité CN
correspondante. Le MN et le SN dans MR-DC pour un certain UE contrôlent
leurs ressources radios et sont principalement responsables de l'allocation des
ressources radios de leurs cellules.
Dans MR-DC avec EPC (EN-DC), l'entité du réseau cœur est le MME. S1-MME
se termine par MN, aussi le MN et le SN sont interconnectés via X2-C.
Dans MR-DC avec 5GC (NGEN-DC et NE-DC), l'entité du réseau cœur est
l'AMF. NG-C se termine par le MN, aussi le MN et le SN sont interconnectés
via Xn-C.
87
Evolution de l’IoT de 4G vers 5G IoT exigences et chalenges Il existe plusieurs cas d'utilisation différents pour l'IoT, tels que la domotique,
la communication de voiture à voiture, l'automatisation de l'industrie, la
surveillance de la santé, la connectivité des villes intelligentes et le domaine
des appareils connectés. Les exigences, permettant à un réseau de
communication de prendre en charge ces divers cas d'utilisation
appartiennent aux catégories suivantes :
• Longue durée de vie de la batterie ;
• Les modèles de mobilité ;
• Explosion des données ;
• Gestion de l’augmentation des appareils ;
• Gestion flexible des abonnements ;
• Sécurité.
Chaque cas d'utilisation peut être rempli en utilisant une combinaison
d'exigences parmi ces catégories.
a. Longue durée de vie de la batterie
De nombreux appareils IoT, par exemple les compteurs intelligents peuvent
avoir un cycle de vie très long. Pour de nombreuses applications de capteurs,
on peut en outre s'attendre à ce que l'appareil n'a pas d'autres sources
d’alimentation que la batterie d'origine. Imaginons un capteur intégré dans un
système intelligent fixe (on parle des batteries intégrés). Ce capteur doit
pouvoir fonctionner pendant de nombreuses années dans une situation où il
n'est pas connecté à une alimentation externe et où il n'est pas facilement
possible de remplacer la batterie. Les progrès dans le développement de la
batterie sont une partie de la résolution du problème, une utilisation plus
efficace des ressources radio et réseau peut également prolonger la durée de
vie de la batterie de l'appareil. Il existe des compromis entre l'accessibilité, les
débits des données, la bande passante et la consommation d'énergie, qui
peuvent être gérés grâce à des améliorations architecturales et de protocole
dans un système de projet de partenariat de troisième génération (3GPP) qui
prolongera la durée de vie de la batterie des appareils IoT tout en permettant
leur fonctionnalité complète.
b. Les modèles de mobilité
Les réseaux sans fil typiques sont optimisés pour gérer la mobilité des
appareils qui se déplacent rapidement (par exemple sur une voiture ou un
train), fréquemment (par exemple sur un camion de livraison), ou qui couvrent
88
des grandes distances (par exemple un voyageur mondial). L'IoT inclut les cas
supplémentaires selon lesquels les appareils connectés sont stationnaires (par
exemple, les capteurs intégrés), géographiquement limités (par exemple,
articles dans un entrepôt) et nomades (par exemple, stationnaires en cours
d'utilisation, mais peuvent changer d'emplacement lorsqu'ils ne sont pas
utilisés). Fournir le même type de mobilité pour ces différents types d'appareils
n'est pas efficace et entraîne une consommation d'énergie inutile à la fois dans
le réseau et dans l'appareil. Les exigences de gestion adaptable de la mobilité
permettent une prise en charge optimale de chaque type d'appareil.
Une exigence de base est d'identifier le type de mobilité dont un appareil IoT
a besoin : stationnaire, géographiquement limité, nomade, entièrement
mobile. À partir de là, différents types de mobilité peuvent être appliqués pour
prendre en charge plus efficacement chaque type d'appareil. Selon le type de
mobilité, le Handover, les mises à jour de la zone de suivi et les mises à jour
de l'emplacement peuvent ne pas avoir besoin d'être pris en charge pour cet
appareil, ce qui permet de réaliser des économies significatives dans
l'utilisation des ressources et prolonge la durée de vie de la batterie de
l'appareil pour les appareils à mobilité réduite ou sans mobilité.
c. Explosion des données
Les systèmes sans fil ont été conçus à l'origine pour les téléphones intelligents
et les PC, visant donc à maximiser la bande passante pour les utilisateurs
dans les limites des capacités fournies par le réseau radio. Cela a été fait sous
l'hypothèse d'un flux de données continu pour la voix, le téléchargement (par
exemple, la navigation sur le Web) ou les applications de streaming. L'IoT
introduit le concept des données explorées, qui impose des exigences
différentes au système sans fil. Les données explorées peuvent être
constituées soit d'une petite charge utile soit d'une grande charge utile, les
critères clés étant la transmission infréquentée, mais régulière de données.
Pensez à une caméra installée au coin d'une rue qui envoie périodiquement
un bref rapport (par exemple, texte ou photo instantanée) indiquant que tout
va bien. En cas d'accident, la caméra est équipée pour envoyer une vidéo en
direct pendant une certaine période, après elle revient au format de rapport
bref. La surcharge de configuration du plan utilisateur traditionnel devient
beaucoup plus impactante pour ces cas d'utilisation de données explorées que
pour la voix ou les transmissions des données longues mais épisodiques. Le
délai de configuration de session est également un facteur restrictif pour
certaines applications explorées. Par exemple, dans le scénario de la caméra
d'angle, la vidéo doit être envoyer immédiatement pour capturer pleinement
les détails de l'accident. Le 3GPP a apporté plusieurs améliorations pour
améliorer le rapport entre la charge utile, la configuration de session et la
surcharge des messages afin de mieux répondre aux besoins des appareils IoT
avec des données d’exploration.
89
d. Gestion de l’augmentation des appareils
Dans les systèmes 2G, 3G et 4G, on s'attend à ce qu'un utilisateur ne dispose
que de quelques appareils (par exemple, un smartphone et une tablette)
enregistrés sur le réseau. Sur un marché IoT, un utilisateur peut aller d'une
personne avec une douzaine d'appareils à la maison (par exemple, un
smartphone, une tablette, un thermostat, une imprimante, des lampes) à une
entreprise avec des milliers d'appareils (par exemple des parcomètres
intelligents). Les outils de gestion des appareils fournis en 2G, 3G et 4G pour
la gestion des abonnements, l'activation / désactivation, la facturation, ne
sont pas efficaces pour gérer des centaines et des milliers d'appareils ayant
des caractéristiques communes appartenant à un seul propriétaire. La 5G
spécifiera des outils de provisionnement et de gestion en masse pour appliquer
plus efficacement un traitement commun tel que l'activation / la désactivation
et les mises à jour d'abonnement à un grand nombre d'appareils.
e. Gestion flexible des abonnements
Dans les systèmes 2G, 3G et 4G, les équipements utilisateur (UE) sont
généralement censés appartenir à un abonné sans qu'il soit nécessaire de
modifier l'abonnement à partir du moment où l’UE est activé jusqu'à ce qu'il
soit désactivé. L'IoT est livré avec un nouveau modèle commercial, dans lequel
un appareil, tel que l’UE intégré dans un équipement de location, peut être
transmis d'un utilisateur à un autre. Ce modèle introduit la nécessité
d'associer l’UE en 5G à un nouvel utilisateur et à un abonnement d'une
manière simple et économique en termes des ressources. À mesure que l'IoT
continue de croître, on s'attend à ce que les appareils soient fabriqués d’une
manière plus générique que les UE d'aujourd'hui. Cela signifie que les
appareils IoT ne seront pas conçus pour être utilisés dans le réseau d’un
opérateur spécifique, mais seront plutôt conçus et construits pour être utilisés
partout dans le monde, avec n’importe quel réseau mobile. Considérez un
fabricant des cartes intelligents. Le fabricant ne souhaite pas construire
différentes cartes à vendre dans différentes parties du monde qui fonctionnent
avec un seul opérateur. Du point de vue du fabricant des cartes, il serait
préférable de construire des cartes intelligentes qui peuvent être vendus
n'importe où et fonctionner avec n'importe quel réseau. On peut également
s'attendre à ce que les appareils IoT aient besoin de flexibilité pour mettre à
jour et modifier les données d'abonnement à mesure que le propriétaire se
déplace. Par exemple, si le propriétaire déménage dans un autre pays, il
trouvera probablement plus souhaitable de mettre en place un abonnement
avec le nouvel opérateur local plutôt que d'exploiter la carte en mode itinérant.
90
f. Sécurité
Tant que l'E-SIM résout certains problèmes de portabilité des appareils,
d'autres solutions sont encore nécessaires pour répondre aux besoins de
sécurité des appareils IoT. Les appareils IoT sont disponibles dans une variété
de tailles allant d'énormes camions miniers à de minuscules capteurs, ont des
caractéristiques physiques différentes telles qu'un t-shirt intelligent qui
supportera plusieurs lavages, et ont des exigences de confidentialité variables
allant de la confidentialité élevée pour les communications des dispositifs
médicaux à faible ou pas de confidentialité pour les publicités envoyées d'une
boutique aux passants. La 5G satisfera aux exigences de prise en charge de
nouveaux mécanismes de sécurité. Des travaux supplémentaires sont
nécessaires dans ce domaine pour garantir que la diversité des exigences de
sécurité peut être satisfaite d’une manière à maintenir la sécurité du réseau
de l'opérateur mobile.
91
Evolution de l’IoT de 4G vers 5G IoT Cas d’utilisation
Les capteurs sont placés dans des milliards d'appareils connectés à travers le
monde, les nouvelles applications IoT génèrent des flux massifs des données
qui ouvrent un monde d'opportunités. Et la 5G va offrir plusieurs opportunités
en termes de sécurité, gestions des flux, gestion d’énergie, la flexibilité
d’abonnement et d’autre avantages pour un monde connecté et sécurisé.
La technologie de l’IoT couvre plusieurs domaines que ce soient l’industrie, la
santé, l’automobile et d’autre domaine. Plusieurs sociétés ont déjà commencé
la conception et les recherches pour maitre en place leurs projets d’IoT. On
cite comme exemples :
• Automobile et les véhicules connectés.
• Les parcs intelligents
• Les bus connectés
• Smart Home (la surveillance, irrigation automatique, Éclairage
intelligent …).
• Smart metring (la surveillance et la maintenance des appareils
métriques ; électricité, gaz, eau …)
• Montres intelligentes, trackers de fitness et autres appareils portables.
• Vêtements connectés pour la surveillance de la santé.
• M2M (machine to machine) les appareilles connectés.
• Drones pour les opérations industrielles
• Smart Waste (les déchets intelligents).
• La gestion de l’aire.
• La réalité augmenté et virtuelle AR/VR
• L’agriculture et autres …
Figure 28 : domaine d’utilisation de l’IoT
92
Nokia a déjà commencé le développement de plusieurs projets dans de le
monde des objets connectés (IoT). L’un de ces projets est le parc intelligent
(smart parking). Ce projet consiste à réduire le temps de recherche des postes
vides pour le stationnement, faciliter la tâche de recherche, réduire l’émission
des gaz et la consommation du fuel et la normalisation des tarifs.
Description du projet :
Une application mobile pour suivre les places vides en temps réel dans tous
les parcs les plus proches à la position de la voiture. L’application est facile
au niveau de l’utilisation : recherche, réservation, modification, paiement, aide
etc. Une vue sur les places (occupé / réservé / payé / non payé / gratuit) doit
exister sur l’application. Des analyses pour afficher les tendances du
stationnement (utilisation, taux d’occupation, demandes, violations et
mesures d’application) aussi une page de configuration pour créer et modifier
les listes de stationnement, les prix, la disponibilité et les heures d'ouverture.
Intégration des barrières lumineuses, les flèches pour la redirection du client.
Des capteurs pour la détection de l’occupation ou non occupation du place X
dans le parc.
Les composants du projet :
Le côté logiciel exige une application mobile et application web aussi
l’utilisation de la plateforme dédie aux projets IoT ; IMPACT Nokia. Au niveau
du matériels ; un capteur de l’indication d’occupation du place, retour, des
lampes pour la signalisation et enfin un lecteur des codes QR.
Simple scénario :
1. Vous avez besoin de stationner votre voiture,
2. L’application va vous montrer les places vides dans les parcs les plus
proches à votre position.
3. Conduire vers la localisation indiquer sur l’application.
4. Après l’arrivé un capteur va détecter votre voiture et il va envoyer une
indication à la plateforme IMPACT pour faire la mise-à-jour des places
vides.
5. Le paiement effectuera d’une manière automatique grâce aux
techniques du paiement en ligne (exemple de PayPal).
93
Evolution de l’IoT de 4G vers 5G WING et IMPACT plateformes
On ne peut pas parler de l’IoT sans parler des plateformes de gestion de la
connectivité et la commande des capteurs et ainsi de suite ; pour cela Nokia à
lancer ses propres et uniques solutions Nokia WING et IMPACT dans le
marché, Donc de quoi s’agit WING et quelles sont ses valeurs ajoutées ? de
même pour la plateforme IMPACT ?
WING est une solution pour une connectivité IoT mondiale dédié aux
entreprises pour suivre leurs clients et aussi leurs entreprises par le
déploiement de leurs services IoT. Le nome complet est Worldwide IoT Network
Grid, c’est une plateforme construite par Nokia. Elle est notée que Nokia WING
est unique dans le marché.
Nokia WING va offrir plusieurs bénéfices aux clients sur des niveaux
différents :
• Connectivité mondiale avec des caractéristiques locales,
• Mise à niveau transparente vers la 5G,
• Plateforme mondiale et unique pour gestion de la connectivité
• Modèles de tarification flexibles,
• Solutions de la carte SIM intelligente,
• Centre de commande IoT 24x7x365.
La plateforme Nokia IMPACT a été conçue pour saisir les opportunités que
notre monde connecté offrira. Avec IMPACT, les fournisseurs, les entreprises
et les gouvernements peuvent attirer plus de clients, développer de nouveaux
modèles commerciaux et différencier leur position concurrentielle sur le
marché. IMPACT propose une plate-forme IoT sécurisée, simple et basée sur
des normes pour faire évoluer les services IoT.
A propos la plateforme IMPACT :
• Plus de 1,5 milliard d'appareils gérés et plus d’un programme de
certification d'appareils
• Gestion d'un large réseau basé sur des protocoles IP et non IP LPWAN
(low power WAN), y compris NB-IoT et LoRa.
• NetGuard Endpoint Security, basé sur l'analyse qui prévient les
infections via des analyses de sécurité et des renseignements sur les
menaces.
• Une communauté IoT qui travaille avec vous pour explorer de nouveaux
modèles commerciaux.
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• Approche modulaire qui traite la connectivité et de la gestion des
appareils, du développement d'applications, du traitement des
événements, de la collecte et la contextualisation des données.
IMPACT offre plusieurs avantages aux clients ; elle offre une voie de migration
flexible pour optimiser la connectivité, les réseaux et les opérations afin de
prendre en charge les technologies émergentes et les besoins. Grâce à cette
solution, les clients peuvent développer leurs capacités, faciliter les
déploiements et accéder aux opportunités IoT sur des marchés différents. La
sécurité est disponible sur toutes les couches de la plateforme IMPACT. Cela
permet des analyses de sécurité cognitive basées sur le réseau, protégeant la
confidentialité des utilisateurs et permettant des réactions rapides aux
anomalies avec des mises à jour de sécurité rapides en direct.
Avec IMPACT, le client va obtenir une plate-forme unique, intégrée et basée
sur des normes qui peut vous faire passer rapidement du M2M à l'IoT. Les
déploiements des nouvelles applications sont faciles et les opérations sont
simplifiées, de sorte que le client peut intégrer plusieurs applications sur une
plateforme unique et évoluer en fonction des opportunités.
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Evolution de l’IoT de 4G vers 5G Comparaison entre EPS et 5GS
Les principaux concepts de la conception architecturale pour supporter les
cas d’utilisation de MTC (machine type communication) et de l’IoT (Internet of
things) sont les suivants :
• Simplicité de l'UE et capacité d'économie d'énergie ;
• Inscription sans connexion PDN ;
• Prise en charge des petites données.
a. Simplicité de l'UE et capacité d'économie d'énergie
Les optimisations CIoT EPS visent à réduire la complexité de l'UE en omettant
les capacités qui ne sont pas requises dans les cas d'utilisation MTC. Un
avantage majeur est la suppression de la prise en charge du domaine CS
(circuit switched). Avec la 5G, l’UE bénéficie du même avantage, car
l'interfonctionnement natif entre 4G et 5G est spécifié et le système 5G ne
contient pas la partie CS. Ainsi, CIoT et 5G UE n'ont pas besoin de prendre en
charge l'attachement / l'enregistrement combiné pour utiliser le service SMS.
En raison de la mise à jour périodique et la nécessité de surveiller le
téléversement des données, l'UE a besoin de communiquer avec le réseau qui
va impacter le budget d'alimentation de l'UE.
La période eDRX la plus longue possible dans EPS est déterminée par la
structure de l'hypertrame radio, ce qui signifie que le cycle eDRX maximal
dépend de la structure de la trame du couche 1 de chaque technologie radio.
Le cycle eDRX le plus long possible en NB-IoT (près de trois heures) et en WB-
E-UTRAN (près de 44 minutes) est bien plus long que le cycle DRX maximal
de la 5G. Le mode veille étendu DRX et HLcom (High Latency Communication)
ne sont pas pris en charge pour la 5G dans la Rel-15.
En termes de simplicité, la prises en charge de la procédures et
l'économisation d'énergie, l’UE 5G avec une application de liaison montante
uniquement est comparable aux optimisations CIoT EPS. Si l'UE doit être
paginée, alors l'UE 5G souffre d'un manque de prise en charge de la fonction
DRX en mode inactif étendu.
b. Inscription sans connexion PDN
Avec la 5G, la procédure d'enregistrement dans AMF est indépendante de
l'établissement de session PDU contrôlé par SMF (session management
96
function). L'enregistrement sans connexion est pris en charge de manière
native à partir de la première version de la 5G.
La connectivité à la demande est prise en charge pour les UE initialement
connectés / enregistrés au réseau sans connexion PDN. L'UE peut rester
enregistré sans connexions PDU / PDN, mais il peut demander l'établissement
d'une connexion PDN ou l'établissement d'une session PDU ultérieurement, si
cela est requis par l'application. La connexion réseau sans connexion est prise
en charge dans la 5G avec moins de restrictions que dans les optimisations
CIoT EPS.
c. Données fréquentés et infréquentés
Pour les données fréquentés et infréquentés avec une nature explorative, CIoT
offre les optimisations EPS CIoT du plan utilisateur avec la possibilité de
suspendre la connexion RRC pour la reprendre plus tard avec une procédure
de signalisation accélérée.
L'introduction de l'état inactif RRC offre la même option pour un UE 5G. Ainsi,
l'efficacité de la communication du plan utilisateur dépend principalement de
la mise en œuvre des couches radios.
CIoT prend également en charge les données utilisateur du plan de contrôle à
l'aide des optimisations CIoT EPS du plan de contrôle. Les données du plan
de contrôle ont été omises de la 5G dans 3GPP Rel-15, mais c'est l'un des
sujets Rel-16 à étudier. Même sans méthode dédiée pour les données du plan
de contrôle, la 5G peut concurrencer les optimisations CIoT EPS du plan de
contrôle offrant une latence très faible et une surcharge minimale avec l'état
inactif RRC applicable aux messages one-shot.
Lorsque on parle de la comparaison entre EPS et 5GS c’est comme on indique
l’évolution e l’IoT de 4G vers la 5G, d’ailleurs avec la 5G on peut établir
plusieurs connexions radios au même temps, l’apparition de la technique de
découpage du réseau (Network slicing) pour satisfaire plusieurs exigences
aussi la verticalisation des fonctions du réseau (en parle du Cloud). Par contre
pour la 4G une op peut établir une seule connexion radio, Réseau unique pour
la vidéo à large bande et le trafic de type machine, et l’initiation au premier
pas dans le monde du Cloud.
L’évolution des réseaux mobiles va influencer positivement l’IoT dans tous ces
domaines (Automobile, Santé, Événements et tourisme, Industrie , Mégapoles
la domotique et autres). Par exemple self-Driving pour les voitures, les trains
et pour tous les moyens du transport. L’intelligence artificielle pour l’industrie
4.0. Des maisons intelligentes bien équipées et bien sécurisées, etc.
97
Evolution de l’IoT de 4G vers 5G IoT Futures améliorations
La première version de la spécification 5G Rel-15 suit la tradition 3GPP
consiste à établir la première version complète de la 5G qui constitue la base
de travail et d'améliorations dans les versions futures. D’ailleurs plusieurs
études sont en cours pour une nouvelle version Rel-16. Ce travail considère
l'alignement avec les optimisations CIoT EPS, mais il n'est pas limité aux
procédures EPS spécifiées pour les enceins versions, même si la plupart des
objectifs sont communs.
Le Rel-16 vise l'évolution de la CIoT et la 5G dans le domaine MTC et il va
concentrer sur les principaux sujets suivants :
• Activer les fonctionnalités CIoT / MTC dans 5G CN
• Coexistence et migration de l'eMTC/NB-IoT basé sur EPS vers la 5G CN
• Améliorations pour répondre aux exigences du service 5G.
Pour les améliorations futures, les recherches et les études examinera les
solutions possibles pour ces sujets :
• Prise en charge la transmissions des petites données fréquentés et
infréquentés
• Communication à latence élevée
• Fonctions d'économie d'énergie
• Fonctions d'économie d'énergie UE TX
• Gestion de la couverture
• Contrôle de surcharge pour les petites données
• Prise en charge d'un service de données fiable
• Prise en charge des API communes pour l'interfonctionnement EPC-5GC
• Configuration des paramètres de réseau fournie par la fonction
d'exposition de réseau
• Le soutien
• Prise en charge de la mobilité inter-RAT vers et depuis NB-IoT
• Prise en charge du comportement attendu de l'UE
• Prise en charge de la qualité de service pour NB-IoT
• Sélection CN pour l'IoT cellulaire.
a. Petites données
Les données infréquentées et fréquentées seront prises en charge dans la 5G,
mais les différences architecturales entre 5GC et EPC ne garantissent pas que
toutes les optimisations CIoT EPS peuvent être réutilisées sans changement
dans le réseau cœur de la 5G (5GC). Les principales différences pouvant
98
nécessiter une mise à jour sont la répartition fonctionnelle entre AMF et SMF
et le plan de contrôle - plan d’utilisateur.
Les solutions du plan utilisateur peuvent conduire à des optimisations
possibles dans toutes les procédures. Les nouvelles solutions candidates pour
les petites données du plan utilisateur incluent les solutions sans connexion
et l’utilisation des simples chemins (Fast Path), permettant le transfert des
paquets même sans l'établissement d'une connexion RRC. Cela nécessite
l'existence d'un chemin préconfiguré entre RAN et UPF. Le RAN peut soit
maintenir l'état UE pour savoir où acheminer les paquets, mais peut
également être sans état et récupérer les informations de chemin du nœud du
plan de contrôle si nécessaire. Dans ce cas, UPF a besoin des paramètres de
sécurité liés à l'UE pour le chiffrement et l'intégrité.
b. Communication à latence élevée el la conservation d’énergie
La version initiale de la 5G ne prend pas en charge le DRX en mode inactif
étendu, mais divers scénarios d'interfonctionnement permettent également au
LTE large bande et au NB-IoT de s'interfacer avec le 5GC, ce qui permet
d’activer eDRX au moins dans LTE RAT. UE PSM n'est pas copié sur 5GC
tel qu'il est, mais le mode MICO (Mobile Initiated Connection Only) nécessite
également que le réseau abandonne les paquets DL ciblés pour un UE pendant
son cycle de veille, ou les met en mémoire tampon. Cela nécessite l'ajout de la
communication à latence élevée à 5GC. Lorsque cela est spécifié dans 3GPP,
il faut déterminer quel nœud (NEF, UPF, SMF) met en mémoire tampon les
paquets DL pendant le cycle de sommeil de l'UE.
c. Gestion de l’amélioration de la couverture
La gestion de l’amélioration de la couverture copie les principes EPC où l'UE
peut demander EC (Enhanced Coverage), que le CN à servir peut accorder
après la vérification des informations d'abonnement.
Un aspect supplémentaire de l'interfonctionnement et de la mobilité EPS-5GC
est la capacité du MME et de l'AMF à échanger les informations de restriction
CE dans le cadre du transfert de contexte UE pendant la mobilité inter-
système.
d. Service des données fiables
RDS (Reliable Data Service) a été initialement introduit entre UE et SCEF
(Service Capability Exposure Function), mais la capacité de prendre en charge
le protocole de superposition RDS a été élargie pour s'appliquer également
entre UE et P-GW sur le plan utilisateur.
99
Pour prendre en charge le même service dans 5GC, NEF et UPF doivent mettre
fin au protocole RDS.
e. API et interfonctionnement entre EPC et 5GC
L'utilisation d'une seule fonction d'exposition vers les applications est idéale
pour les concepteurs d'applications, mais elle s'adapte très mal aux
architectures sud-ouest. Et forcer une mise à jour de toutes les interfaces
héritées EPC associées n'est pas une option intéressante pour créer
l'interfonctionnement entre EPC et 5GC.
f. Configuration des paramètres du réseau
3GPP peut ouvrir une interface pour des applications tierces autorisées afin
de mettre à jour certaines parties de l'abonnement des utilisateurs sur la base
du comportement de l’UE prédit. Un cadre de fourniture de données
d'abonnement générique est spécifié pour qu'une partie externe fournisse des
paramètres de modèle de communication UE. Ces paramètres donnent une
estimation sur le comportement de l'UE, tels que :
• Trajectoire de déplacement attendue de l'UE
• Indication de la stationnarité de l’UE
• Durée de la communication pour l’UE
• Intervalle du temps pour la communication.
• Date et temps de la communication programmée.
• Type de communication (DL, UL ou les deux).
g. Surveillance
Le cadre de surveillance est déjà pris en charge dans Rel-15 5GC, mais la
mobilité UE entre EPS et 5GS est toujours un sujet ouvert. Idéalement, le
serveur d’application (AS) externe ne devrait pas savoir si l'UE campe sur LTE
ou 5G, il a seulement besoin de demander la surveillance d’UE identifiée par
un identifiant externe ou un identifiant de groupe externe. Il est de la
responsabilité du réseau d'informer l'AS de l'accessibilité de l'UE, que l'UE
devienne disponible pour la communication via LTE ou 5G.
Dans EPS, le HSS met à jour la demande de surveillance dans les MME qui
peuvent notifier la disponibilité de l'UE pour la communication. Dans un
environnement réseau multi-système, cela nécessite qu'une demande de
surveillance saisie dans les données d'abonnement par HSS ou UDM (Unified
Data Management) soit transmise à tous les MME, AMF et SMF concernés et
qui peuvent traiter la partie de notification de surveillance. Les données
d'abonnement communes stockées dans UDR (Unified Data Repository) sont
essentielles pour une solution de surveillance combinée.
100
h. Mobilité inter-RAT et NB-IoT
La mobilité inter-RAT nécessite la maintenance des capacités radio de l'UE
pour la 5G et le NB-IoT, ce qui implique la gestion de ces capacités sur chaque
RAT séparément. Ceci est le résultat de la grande taille des données
d'information de capacité radio UE multi-RAT et multi-bande en relation avec
le débit des données limités du NB-IoT. La signalisation sur les protocoles
3GPP doit être optimisée pour éviter une surcharge de signalisation excessive
sur les ressources radio à bande étroite.
Un aspect lié aux différentes capacités prises en charge dans chaque système
est la manière dont les sessions PDU 5G actives et les connexions PDN 4G
peuvent suivre dans la mobilité inter-RAT de l'UE. Les capacités des éléments
de réseau à servir sont bien prises en charges. Le CN transfère uniquement
les connexions PDN ou sessions PDU qui peuvent être prises en charge après
la mobilité, compte tenu des capacités du réseau, des données d'abonnement
et de la politique locale du réseau.
i. QoS pour NB-IoT
L'objectif est de permettre la différenciation de la qualité de service entre les
NB-IoT UEs pour les petites données du plan de contrôle. Comme une solution
possible, l'AMF peut attribuer l'index de la QoS reçu de l'UDM lors de
l'enregistrement auprès de l'UE. L'UE inclut cet index de QoS dans les
messages de donnée du plan de contrôle. Cela permet au RAN d'évaluer la
priorité de l'UE par rapport aux autres. L'index QoS peut être régulé par l'AMF
en comparant la valeur d'index QoS fournie par l'UE à celle de l'UDM. Bien
que ce service considère la qualité de service, la mise en œuvre technique
présente des similitudes avec le contrôle des surcharges.
101
Conclusion
La 5G n'est pas simplement une autre technologie radio ou bien seulement
une évolution du LTE, qui offre plus de capacité et une latence plus faible au
consommateur, mais ses principes de conception et d'architecture suivent un
concept révolutionnaire, car pour la première fois ce nouveau système permet
de construire des réseaux ouverts avec des interfaces ouvertes où n'importe
quel niveau de contrôle du réseau peut être offert au monde extérieur.
L'architecture du système est conçue pour utiliser nativement les concepts
NFV (network function virtualization) et SDN (software defined networking) et
exploiter ces technologies. Les techniques de la 5G NR permettent une prise
en charge économique de divers cas d'utilisation avec des demandes très
différentes de débit, de latence, de fiabilité et de sécurité, comme décrit dans
le premier chapitre pour une communication ultra-fiable à faible latence
(URLLC) et dans le deuxième chapitre pour l'Internet des objets (IoT) Cela
offrira des nouvelles opportunités aux opérateurs mobiles, aux industries et
aux consommateurs finaux. Il aidera les gens dans leur vie quotidienne, sur
leurs lieux de travail et dans les situations d'urgence. Il permet de connecter
des usines, ce qui contribue à augmenter le niveau d'automatisation dans
diverses industries, c'est-à-dire moins de temps d'interruption lors de la
conception et de la fabrication des produits.
Connecter des machines, des objets et des personnes peut rendre la vie plus
facile et aussi plus fiable. L’augmentation de la demande des données sera
également satisfaite par la 5G surtout dans les zones urbaines denses, une
grande partie de la bande passante sera disponible, la technique de MIMO et
3D Beamforming vont augmenter la capacité des consommateurs. Avec des
temps de réaction très courts du réseau, cela augmentera la satisfaction des
utilisateurs et la volonté de payer plus pour un abonnement 5G.
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Références
La totalité des informations sur ce rapport sont capturées et basées sur des ressources et des documents propres à la société Nokia.
Autres ressources :
http://www.techplayon.com/5g-nr-radio-protocol-user-plane-whats-new-
lte-5g-nr/
http://dictionnaire.sensagent.leparisien.fr/Orthogonal%20Frequency%2
0Division%20Multiplexing/fr-fr/
https://www.atys-concept.com/blog-de-la-performance/articles-
performance-industrielle/iaas-paas-saas-modele-cloud-choisir-
solutions-de-performance-industrielle/
https://www.service-architecture.com/articles/cloud-
computing/network_as_a_service_naas.html