Chronique de la 5G - De la 4G à la 5G

05/03/2018
Auteurs : Patrice Collet
Publication REE REE 2018-1
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2018-1:22456

Résumé

Chronique de la 5G - De la 4G à la 5G

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	    <date dateType="Updated">Sun 15 Jul 2018</date>
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14 ◗ REE N°1/2018 Patrice Collet poursuit sa chronique sur les technolo- gies qui vont sous-tendre la 5e génération de communi- cations mobiles. Dans ce nu- méro, il nous parle du calen- drier de déploiement de cette nouvelle technologie. Les premières spécifications des systèmes de 5e généra- tion ont été approuvées le 21 décembre 2017 par le 3GPP : elles couvrent, en particulier, l’architecture du système et la première version de l’accès radio 5G (NR). Elles constituent une première partie de ce que doivent être les spécifications de la 5G prévues par l’édition 15 des spécifications du 3GPP. Une étape très importante vient donc d’être franchie : il est possible, pour les besoins les plus précoces, d’envisager des déploiements du nouvel accès radio en 2018 ou 2019. A cette occasion, il nous a paru intéressant de revenir sur le déroulement global du processus de normalisation et sur les possibilités d’introduction de la nouvelle radio. Le calendrier de la 5G En mai 2015, l’Union internationale des télécommuni- cations (UIT) a créé un groupe de travail chargé de définir les objectifs auxquels devraient satisfaire les systèmes de 5e génération sous le nom d’IMT-2020 (International Mobile Te- lecommunications). Dès le lancement des travaux sur la 5G au sein du 3GPP, il a été prévu d’en soumettre les résultats à l’UIT pour obtenir la reconnaissance IMT-2020, comme cela avait été fait avec LTE-A pour IMT Advanced. Les travaux de définition de la 5G au sein du 3GPP devaient donc se syn- chroniser avec ceux d’IMT-2020 (figure 1). Au démarrage des travaux du 3GPP, en 2015, étaient prévues deux étapes dans la définition des systèmes de 5e génération : la première, incluant les fonctions jugées priori- taires, était envisagée pour la mi-2018 et la deuxième pour la fin de 2019. Ces deux étapes devaient respectivement faire partie des éditions 15 et 16 des spécifications du 3GPP. Mais en mars 2017, à la demande d’opérateurs, essentiellement nord-américains et asiatiques, et de leurs fournisseurs, le calendrier a été accéléré pour disposer de façon anticipée d’une première version des spécifications de la seule partie radio de la 5G dite « nouvelle radio » (NR). L’objectif était pour Figure 1 : Processus de définition d’IMT 2020 – Source : UIT. ACTUALITÉS Chronique de la 5G De la 4G à la 5G REE N°1/2018 ◗ 15 les demandeurs de pouvoir déployer dès 2019 des équipe- ments radio conformes à la nouvelle norme pour des besoins spécifiques ou bien lors de grands évènements mondiaux et, pour tous les membres du 3GPP, d’éviter la multiplication de mises en œuvre de systèmes pré-5G qu’un certain nombre de groupes d’opérateurs et d’industriels envisageaient de lancer. Cette version de la NR devait être compatible avec le futur cœur de réseau 5G dont les spécifications ne seront disponibles qu’à la mi-2018. On l’appelle NR NSA1 car elle ne permet pas un déploiement purement 5G et doit s’appuyer sur le cœur de réseau LTE-A. Le calendrier résultant de cette décision est présenté figure 2. L’approbation des premières spécifications de NR-NSA en décembre dernier montre que le nouveau calendrier est pour l’instant respecté. Les spécifications complètes de la première version de la 5G dite SA2 constitueront une partie de l’édition 15 des spécifications et seront publiées normale- ment à la mi-2018. Faute de disposer d’un nouveau cœur de réseau, les déploiements de NR-NSA devront donc s’appuyer 1 Non Stand Alone : non autonome. 2 Stand Alone : autonome. sur le cœur de réseau LTE-A qui doit fournir les fonctions de commande nécessaires : ils pourront seulement tirer béné- fice des services offerts par le cœur de réseau de LTE-A et de ses évolutions ainsi que de la croissance des débits et de la réduction de la latence qu’apporte le réseau d’accès NR-NSA. La version 15 des spécifications de la 5G, ne comporte qu’une première partie des fonctionnalités prévues dans la 5G, la version 16 apportera un grand nombre de compléments. Comment la NR NSA pourra être déployée ? En l’absence du cœur 5G et de son plan de commande, pour déployer la NR NSA il a été prévu d’utiliser la fonction de double connectivité (DC) introduite dans LTE-A dans l’édition 133 . Elle permet à un terminal de nouvelle génération (à la fois 4G et 5G) de disposer simultanément de deux canaux de transport de données, l’un via le réseau 4G, l’autre via la NR. La commande de la double connectivité est assurée via le plan de commande de LTE-A. Ainsi NR permet d’aug- menter le débit offert par la seule interface radio de LTE-A, d’autant plus qu’elle permet d’accéder à des bandes de fré- 3 Voir Chronique 5G REE 2017-05. Figure 2 : Calendrier des spécifications et des possibilités de déploiement 5G. Révision de mars 2017 – Source 3GPP. La nouvelle radio NR La nouvelle radio est la nouvelle interface radio définie pour les systèmes de 5e génération. Elle peut utiliser des bandes de fréquences qui peuvent atteindre 30 GHz puis plus tard jusqu’à 60 GHz. Elle s’appuie sur des formes d’ondes OFDM qui sont aussi utilisées par LTE et le Wi-Fi. Mais pour satisfaire aux exigences des diffé- rents services que doit offrir la 5G et tirer profit des nouvelles gammes de fréquences utilisées par rapport à l’usage qui en est fait dans LTE, des évolutions importantes y ont été apportées. On peut citer par exemple un espacement des sous-porteuses paramétrable, une structure de trame flexible pour permettre de réduire la latence. Le MIMO massif multi-utilisateur qui permet d’augmenter l’efficacité spectrale est également utilisé. ACTUALITÉS 16 ◗ REE N°1/2018 quences complémentaires à celles de LTE et de tirer profit des nouvelles fonctionnalités de LTE-A. Cette architecture de commande est connue sous le nom d’option 3 et comporte deux possibilités (figure 3) : dans la variante 3 ce sont les stations de base eNB de LTE-A et gNB de la 5G qui sont connectées via une interface Xn permettant d’écouler les flux de données en provenance et à destination de la NR sur les liens de backhaul de l’eNB vers le cœur de réseau 4G. Dans la variante 3a le gNodeB est connecté directement au cœur de réseau LTE-A par l’interface IA. Le processus de déploiement de la 5G va donc, pour les opérateurs voulant déployer la NR en mode NSA, être assez différent de celui qu’ils avaient connu pour le déploiement de LTE : il n’y aura pas de nouveau cœur de réseau à déployer avant de pouvoir utiliser la nouvelle radio. Une autre diffé- rence réside aussi dans le fait que LTE-A évolue en parallèle avec la définition de la 5G tant au plan fonctionnel qu’au plan de l’architecture. Les évolutions de LTE-A Depuis sa définition dans l’édition 8 des spécifications du 3GPP en 2008, LTE a été largement déployé à travers le monde : en octobre 2017, un quart des clients mobiles utili- saient LTE. En parallèle LTE a également beaucoup évolué, tout d’abord via LTE-Advanced qui permet de satisfaire complète- ment aux exigences des spécifications de l’UIT (IMT-Advanced). Il introduit entre autres l’agrégation de porteuses et augmente le nombre d’antennes MIMO. Avec les évolutions de l’édition 13 et des éditons ultérieures, LTE-Advanced est dénommée LTE-Ad- vanced Pro. Les évolutions concernent de nombreux domaines et anticipent des évolutions prévues pour la 5G : s POURSUITEDELACROISSANCEDESDÏBITSOFFERTS NOTAMMENT grâce à l’utilisation de l’agrégation de porteuses appartenant à des bandes réglementées et non réglementées ; s ÏVOLUTIONVERSLE-)-/MASSIF s PRISEENCHARGEDEL)NTERNETDES/BJETS)O4 AVEC."
)O4 et eMTC (R13 et R14) ; s COMMUNICATIONSAVECLESVÏHICULES2ET2  s RÏDUCTIONDELALATENCE s ETC Par ailleurs, dans l’édition 14 des spécifications de LTE-A, a été introduite la possibilité de séparer complètement les fonctions de commande du réseau, celles qui permettent par exemple d’établir des sessions de communication, des fonc- tions de transport qui permettent de transporter les données en provenance et à destination des utilisateurs. La séparation de ces deux types de fonction a été une ligne directrice per- manente dans la conception des cœurs de réseau mobile mais dans le cœur paquets de LTE (ePC4 ) édition 13 elle n’est pas complète : les éléments de réseau comportent encore des fonctions de commande. Avec l’édition 14, sous le nom de CUPS5 elle est complètement atteinte : les fonctions des nœuds du cœur de réseau sont séparées en deux groupes, celui des fonctions de transport et celui des fonctions de com- mande et de nouvelles interfaces Sx (a b et c) sont définies entre eux. Une étape significative est atteinte : il devient pos- sible au plan de commande de sélectionner les nœuds de réseaux optimaux pour fournir le service demandé par un ter- minal, par exemple pour réduire la latence ou bien optimiser la charge des différents nœuds… Ainsi, les principes de l’archi- tecture du cœur d’ePC se rapprochent de ceux qui sont prévus pour le cœur 5G. Pour les opérateurs, cette évolution permet d’optimiser l’utilisation du cœur de réseau LTE et aussi d’envi- sager à terme des cœurs de réseau communs entre LTE et NR. Les évolutions définies dans LTE-Avanced Pro réduisent ainsi l’écart fonctionnel entre les réseaux 4G et ceux pré- 4 Enhanced Packet Core: le Coeur paquets de LTE 5 Control and User Plane Separation Figure 3 : La nouvelle radio NR en mode non stand alone (NSA) – Source : DT Variante 3 Variante 3 a ACTUALITÉS REE N°1/2018 ◗ 17 vus pour les réseaux 5G : LTE Advanced Pro devient un élé- ment constitutif des réseaux 5G et son réseau d’accès radio (E-UTRAN) est parfois appelé 5G-LTE. IMT 2020 En février 2017, l’UIT a publié les résultats de ses travaux de définition des exigences en termes de performances techniques auxquelles doivent satisfaire les systèmes radio IMT 2020. Elles couvrent un grand nombre de paramètres techniques comme le débit crête, l’efficacité spectrale, la vitesse maximale des mobiles, l’efficacité énergétique, la latence… ainsi que des grandes orientations en matière de services à couvrir (figure 4). Elles sont en ligne avec celles du 3GPP. Avant de décerner le label IMT 2020, l’UIT effectuera des évaluations des systèmes radio qui lui seront proposés par différentes organisations. Le 3GPP a décidé de soumettre les spécifications qu’il est en train de produire à l’UIT : il a prévu de soumettre non seulement les spécifications de NR mais également celles de LTE-Advanced Pro. L’ensemble de- vrait ainsi pouvoir couvrir l’ensemble des exigences IMT 2020 dans le calendrier fixé par l’UIT. La définition des spécifications de la 5G est un long pro- cessus : le respect du calendrier de la définition de la nou- velle radio NSA conforte sa crédibilité et prouve, à nouveau, la capacité du 3GPP à le mener à bien, malgré la grande complexité de la tâche. ■ Patrice Collet 6 CEPT : Conférence européenne des administrations des postes et télécommunications. Figure 4 : Les services IMT 2020 – Source: UIT. Les pionniers du GSM honorés par la médaille Maxwell de L’IEEE Le 3GPP qui assure le développement et la maintenance des spécifications des systèmes mobiles est l’héri- tier du GSM, le « groupe spécial mobile » de la CEPT6 . Lancé en Europe en 1984, ce groupe a produit en 1988 les premières spécifications du GSM qui ont été à l’origine du premier réseau mobile numérique grand public. Les systèmes GSM ont été déployés, à grande échelle, sur les cinq continents. L’IEEE vient d’attribuer la médaille Maxwell à Thomas Haug (Suède) et Philippe Dupuis (France) qui ont pré- sidé le groupe de travail et l’ont conduit au succès mondial qu’ont constitué les systèmes 2G. « C’est en fait la reconnaissance des efforts de l’ensemble des ingénieurs européens qui se sont enthousiasmés pour ce projet, et surtout des Français qui, il faut le souligner, ont été ceux qui ont le plus contribué, souvent en opposition avec une partie de leur hiérarchie » indique Ph. Dupuis. Le succès du GSM a amorcé un mouvement qui a permis d’atteindre une norme mondiale unique en ma- tière de réseau mobile quelques années plus tard avec LTE notamment. ACTUALITÉS