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RÉSUMÉ
L'élaboration des systèmes 5G a débuté par la définition de différents critères de performance. Un système 5G a plusieurs déclinaisons qui peuvent être instanciées sur une même infrastructure matérielle et évoluer au cours du temps en fonction des demandes. Cet article présente les critères de performance, les objectifs visés pour chaque mode et les services offerts par un système 5G. Il présente ensuite le découpage du système en fonctions réseaux en se concentrant sur le réseau cœur. Il expose les principes d'organisation des échanges de signalisation en s'appuyant sur des exemples et explique les concepts clés qui permettent de disposer d'un réseau protéiforme et qui s'adapte aux demandes.
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Xavier LAGRANGE : Professeur - IMT Atlantique/IRISA, Rennes, France
INTRODUCTION
Les réseaux 5G ont été déployés à partir de 2019 et représenteront pendant la décennie 2020-2030 la technologie dominante de réseau mobile. Par rapport à la génération précédente 4G qui était focalisée sur le transport de flux IP, le plus souvent sans garantie de qualité de service, la 5G a pour objectif de favoriser des nouveaux scénarios de déploiement pour couvrir des segments de marchés très divers et répondre ainsi aux besoins d’une société ultra-connectée. Cela est rendu possible en déclinant un système 5G en de multiples formes, chacune visant à se spécialiser sur quelques critères de qualité de service dans une liste bien définie.
Bien que le transport des flux de données en 5G reste calqué sur les principes de la 4G, la principale rupture en ce qui concerne le réseau cœur est l'utilisation poussée des technologies web pour l'échange de signalisation. Le réseau est constitué d'un ensemble de fonctions réseaux, chacune spécialisé sur un nombre restreint de tâches. Tous les dialogues se font en mode client-serveur et sont sans état. Couplé avec les principes de virtualisation, cela permet de disposer d'un réseau flexible et qui peut s'adapter aux variations de charges ou de types des services utilisés. Il est possible de démarrer et d'éteindre des instances de fonctions réseaux et toute instance peut découvrir les instances actives répondant à certains critères en interrogeant une fonction répertoire. Par ailleurs, un réseau 5G offre un accès à des prestataires externes qui peuvent développer des services à valeur ajoutée en interagissant avec les terminaux des utilisateurs. L'ensemble de ces éléments est exposé dans cet article.
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2. Architecture des réseaux 5G
2.1 Réseau d’accès radio et réseau cœur
En 5G, comme dans les générations précédentes, il y a une distinction claire entre le réseau d’accès radio et le réseau cœur. Ce dernier permet le transport des données sur de longues distances et l’interconnexion avec le réseau Internet. Il fournit également les fonctions de sécurité indispensables et les services à des tiers (notification). Le réseau cœur 5G est appelé 5th Generation Core (5GC).
Le réseau d’accès fournit les moyens aux terminaux d’échanger des données et de la signalisation avec le réseau cœur. L’interface radio spécifique à la 5G s’appelle New Radio (NR).
Le réseau d’accès radio est essentiellement composé de stations de base. Une station de base intégrant la transmission NR s’appelle un gNB. Les recommandations 3GPP envisagent plusieurs découpages fonctionnels : il est donc possible d’avoir une architecture avec des unités radios qui s'occupent principalement des couches basses de l'interface radio (typiquement le filtrage et la transposition en fréquence) et des unités centrales qui s'occupent principalement des couches hautes.
HAUT DE PAGE2.2 Modes autonomes et non autonomes
Grâce à l'extension de la largeur de bande spectrale allouée et à l'utilisation intensive des réseaux d'antennes et de la formation de faisceaux, l'interface radio NR permet un débit plus élevé et une meilleure efficacité énergétique que la 4G.
Afin de fournir rapidement une augmentation des débits, l'interface NR peut être utilisée en complément d'une connexion 4G : c'est le mode non autonome ou Non Stand Alone (NSA). Dans ce cas, le réseau cœur reste un réseau 4G et l'opérateur déploie des stations de base appelées en-gNB, qui sont en général co-localisées avec les stations de base 4G (figure 5). L'UE se connecte en technologie 4G et lorsque c'est nécessaire, une liaison NR additionnelle est établie pour profiter d'un débit de transfert plus élevé. En 2021, seul le mode NSA est déployé commercialement.
Le mode autonome ou Stand Alone (SA) consiste en un réseau cœur 5G et des stations de base 5G (figure ...
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Architecture des réseaux 5G
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KUSUME (K.), FALLGREN (M.) - Summary of Deliverable 1.5 : Updated scenarios, requirements and KPIs for 5G mobile and wireless system with recommendations for future investigations METIS (2015). - https://www.metis2020.com/wp-content/uploads/deliverables/METIS_D1.5_Summary.pdf (2015).
-
(2) - AKBARZADEH (S.), SCHWOERER (J.), BAILLY (B.), LABIDI (W.) - Les réseaux 5G, Architectures système, radio et cœur, coexistence 4G, mise en œuvre opérationnelle. - Éditions Eyrolles (2020).
-
(3) - ROMMER (S.), HEDMAN (P.), OLSSON (M.) et al - 5G core networks : powering digitalization. - Elsevier (2020).
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
3rd Generation Partnership Project ; Technical Specification Group Core Network and Terminals ; Numbering, addressing and identification (Release 15). - 3GPP TS 23.003 - 2020/10
-
3rd Generation Partnership Project ; Technical Specification Group Services and System Aspects ; System Architecture for the 5G System ; Stage 2 (Release 15). - 3GPP TS 23.501 - 2020/10
-
3rd Generation Partnership Project ; Technical Specification Group Core Network and Terminals ; 5G System ; Technical Realization of Service Based Architecture ; Stage 3 (Release 15). - 3GPP TS 29.500 - 2017/09
-
3rd Generation Partnership Project ; Technical Specification Group Core Network and Terminals ; 5G System ; Principles and Guidelines for Services Definition ; Stage 3 (Release 15). - 3GPP TS 29.501 - 2017/09
-
IMT Vision – Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond. - ITU-R M.2083-0 - sept 2015
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