La quatrième génération des systèmes mobiles : Le réseau cœur LTE : ePC

26/08/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2011-5:19578
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La quatrième génération des systèmes mobiles : Le réseau cœur LTE : ePC

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92 ◗ REE N°5/2011 la quatrième génération des systèmes mobiles Philippe Le Guennec Orange Labs 1. Introduction Les systèmes de 3ème génération, avec HSDPA et HSUPA, ont permis une forte croissance des débits offerts aux terminaux mobiles en trans- mission de données. Mais leurs réseaux cœurs restent marqués par leur filiation : un cœur de réseau à commutation de circuits fournit les ser- vices de voix et les services de données sont portés par un cœur de réseau à commutation de paquets, constitué des nœuds SGSN et GGSN. Au fil des évolutions du cœur de réseau 3G, le protocole IP a pris une place de plus en plus grande, y compris pour les services de voix avec notamment l’architecture R4 où la voix peut être transportée dans le cœur de réseau sous forme de paquets IP. Par ailleurs, au fil des évolutions, l'architecture de commande IMS devient candi- date à la commande des services de session de communication, y compris les services de voix à la place ou en complément des commutateurs mobiles ou des MSC call server (avec la fonction IMS service continuity). La poursuite de l'explo- sion de la demande en débit liée aux développe- ments des terminaux portables, qu'ils soient des téléphones intelligents ou bien des tablettes gra- phiques ou des ordinateurs personnels, a conduit les concepteurs de LTE (Long Term Evolution) à concevoir un réseau cœur optimisé pour le trans- port des données en IP, et à ne plus y prévoir le mode circuit : les services de voix, s'ils doivent être pris en charge par ce nouveau cœur de ré- seau, le seront sous forme de voix sur IP. Le nouveau réseau LTE et son cœur nommé ePC (Evolved Packet Core) sont donc optimisés pour le traitement des services de paquets. Ils intègrent des possibilités qui, jusqu'à présent, n'avaient pas complètement été prises en charge dans les spécifications des systèmes mobiles : la gestion de la qualité de service en mode don- nées, l'inspection du contenu des paquets, et la mise en œuvre de modes de tarification évolués des services de données. Pour faciliter l'évolu- tion des services de données, l'architecture reste compatible avec les réseaux d'accès déjà en ser- vice (GSM, UMTS). 2. Architecture de ePC SAE (System Architecture Evolution) est le nom du projet définissant l’architecture de réseau du standard de communication sans fil « 3GPP » pour LTE et ePC (Evolved Packet Core) est le nom du réseau cœur évolué défini à cette occasion. 2.1. Principes Le but fixé au projet SAE était de concevoir une architecture simplifiée , entièrement fondée sur le protocole IP, capable de fournir des débits élevés avec un délai de traversée des paquets à travers le réseau (la latence) plus faible que les réseaux d’accès radio (RAN) actuels. Cette archi- tecture devait, également, être capable d’assurer la mobilité du client entre des réseaux d’accès La quatrième génération des systèmes mobiles : Le réseau cœur LTE : ePC The purpose of this paper is to describe LTE Core Network (ePC) main features. It shows its functional architecture and some of its capabilities like QoS management. Deployment perspectives are also presented. abstract REE N°5/2011 ◗ 93 La quatrième génération des systèmes mobiles : Le réseau cœur LTE : ePC hétérogènes hérités du 3GPP mais aussi des réseaux d’accès dits non-3GPP comme par exemple des ré- seaux d’accès WiMAX ou CDMA2000. Elle devait, éga- lement, fournir des services de transport de données de qualités différenciées et permettre aux opérateurs de tarifer leurs offres de services de données de façon extrêmement souple, éventuellement, dépendante de l’usage fait des paquets de données. L’architecture ePC fournit une connectivité perma- nente tout-IP. Dès qu'un terminal LTE (UE User Equip- ment) s'enregistre sur le réseau, un canal de transport de données IP est établi entre l'UE et le cœur de ré- seau : ce lien appelé canal de transport de données par défaut (default bearer) sera maintenu aussi longtemps que le terminal sera actif et sous couverture LTE. Ainsi, en comparaison avec les réseaux 2G et 3G, le domaine de commutation de circuit (CS, Circuit Switched) dispa- rait de l’architecture. Les flux de voix ou de visiophonie seront traités dans LTE/ePC, comme le reste du trafic, sous forme de paquets IP. L’ePC sépare complètement le plan de commande du plan de transport. Le plan de transport assure le transport des paquets IP sous la commande du plan de commande dont les différentes entités communiquent entre elles et avec les entités du plan de transport en s'appuyant sur une infrastructure de réseau IP. Le ré- seau de signalisation CCITT N°7, sur lequel s'appuyaient initialement le GSM et l'UMTS disparait donc, sauf à l'interface avec les réseaux antérieurs. On a prévu dans ePC des fonctions sophistiquées d’ins- pection et de filtrage du contenu des paquets (deep pac- ket inspection). La tarification n'est plus seulement fondée sur le volume de données échangé ou sur la durée de la session mais également sur sa nature : session de naviga- tion sur Internet ou session de dépôt de message, session d'achat d'un contenu, ou tout autre type de session. Les choix de conception de ePC doivent, normale- ment, permettre de réduire les coûts du réseau cœur en diminuant le nombre de type d'éléments d'infras- tructure et en tirant plein bénéfice de plates-formes de traitement de grande capacité. Ils devraient également réduire les coûts d'exploitation en faisant disparaître du paysage un certain nombre de technologies spéci- fiques aux réseaux classiques comme celles des plates- formes circuit, ou du réseau de signalisation. L’architecture globale d’ePC est résumée sur la figure 1. 2.2. Les fonctions assurées par ePC : D’un point de vue fonctionnel, l’ePC assure les grandes fonctions déjà présentes dans le réseau cœur 3G à savoir : • Le contrôle d'accès réseau : Lors de son attachement au réseau et/ou lors d’une demande de ressources pour ses communications l’usager est authentifié par le réseau. Une adresse IP est allouée à l'UE dès son attachement. • La gestion de la mobilité : Cette fonction permet à l'UE de s'attacher, de se dé- tacher et de mettre à jour sa localisation. Figure 1 : architecture générale du réseau coeur ePC. 94 ◗ REE N°5/2011 la quatrième génération des systèmes mobiles • Taxation de l’usager : Les fonctions de taxation prises en compte dans l’ar- chitecture ePC sont notablement enrichies par rap- port à celles initialement prévues dans les réseaux 3G : elles tirent profit des extensions fonctionnelles faites par de nombreux opérateurs pour permettre la taxation pré et post payée par type de flux de données dans les réseaux 3G. La comptabilité des volumes envoyés et reçus pour les reversements in- ter-opérateurs est bien sûr disponible dans ePC. • Gestion de la Session : Elle permet l'établissement des différents canaux de transport de données (bearers) par défaut ou dédié. • Transfert des paquets : Les entités de l'ePC appartenant à la couche de trans- port acheminent les paquets reçus du l'eNB (e Node B) vers un réseau IP, et d'un réseau IP vers l'eNB. Pour répondre aux exigences de qualité de service sur certains flux, ces entités peuvent aussi marquer les paquets qu’ils traitent dans les sens montant et descendant : c'est une fonction propre à ePC. • Interception légale : L’architecture ePC permet l’interception des flux de données clients et des flux de commande en confor- mité avec les exigences légales. • Gestion des ressources radio : Comme dans l’UMTS, cette fonction permet l'établis- sement et la libération du canal d'accès radio, RAB (Radio Access Bearer) entre l’UE et le cœur avec le niveau de qualité de service demandé. Une fonction nouvelle importante est la gestion de la qualité de service : nous la verrons décrite plus en détail au paragraphe 2.6. 2.3. Les entités fonctionnelles de ePC Toutes les fonctions énumérées ci-dessus sont assu- rées par cinq entités fonctionnelles : • SGW : Serving Gateway • MME : Mobility Management Entity • PGW : Packet Data Network Gateway • PCRF : Policy Control and charging Rules Functions • HSS : Home Subscriber Server HSS, MME et PCRF sont des entités du plan de com- mande alors que SGW et PGW appartiennent au plan de transfert. La figure 2 schématise la répartition des fonctions entre ces entités. • MME : Entité de Gestion de la Mobilité (Mobility Management Entity) - traite les échanges de signalisation entre le terminal et le réseau ePC - gère l’authentification du terminal en allant interro- ger le HSS (HLR de l’ePC), la mobilité et l'itinérance entre les eNB - commande l'établissement et le relâchement des canaux de transport de données - est chargée d'établir la session utilisateur et ainsi de sélectionner la SGW et la PGW qui serviront à met- tre en œuvre le canal de transport de données par défaut, au moment de l'attachement du mobile au réseau pendant le processus d'identification. Figure 2 : fonctions des entités du réseau ePC. REE N°5/2011 ◗ 95 La quatrième génération des systèmes mobiles : Le réseau cœur LTE : ePC • SGW : Passerelle de Service (Serving Gateway)  : - gère le routage des paquets, et ainsi relaie le trafic de l’usager entre l’eNB et la PGW et inversement. - sert de point d'ancrage lorsque le terminal se dé- place entre différents eNB - dans le cas d'itinérance entre 3G et LTE, relaie les paquets entre SGSN ou accès 2G/3G et la PGW - gère et stocke les contextes relatifs à chaque UE, par exemple, les paramètres du canal de transport de données IP et l’adresse IP de la PGW. - effectue, également, la réplication du trafic utilisateur en cas d’interception légale. • PGW : Passerelle d'accès au réseau de données (Pac- ket Data Network Gateway) : - offre la connectivité IP aux utilisateurs et donne ac- cès aux réseaux IP en IPv4 ou IPv6 - assigne au mobile son adresse IP dès l'attachement, lorsque le réseau établit un canal de transport de données par défaut (default bearer). Pour une ses- sion IP donnée et tant que cette dernière est ac- tive, la PGW joue, vis-à-vis du réseau IP auquel elle est connectée, le rôle de point d'ancrage du réseau d'accès : il ne doit jamais changer pour assurer la continuité du service de données, aussi bien pour les accès LTE que pour les accès 2G/3G. La PGW est également un point stratégique pour l'intercep- tion légale des flux média et pour le contrôle et le marquage des flux de données - filtre et oriente les paquets IP reçus du réseau de données vers les différents liens de données établis vers le client - assure les fonctions nécessaires à la tarification dif- férenciée des différents flux de service sous la com- mande du PCRF, identification et autorisation des flux de service, mesure des volumes de données ou des durées de session, prise en compte des caractéristi- ques de l'abonnement client  - applique les exigences de QoS propre à chaque lien de données sous commande du PCRF  - sert de point d'ancrage pour les réseaux d'accès non 3GPP (CDMA 2000, WiMAX). • PCRF : Fonction de commande de régulation des flux et de la tarification : (Policy Control and Charging Ru- les Function). Cette entité contient les règles permettant de modu- ler la bande passante et d'appliquer une tarification (en fonction de l'heure, du crédit de l'utilisateur et de son type d'abonnement). Les règles sont appliquées en en- voyant des ordres à la fonction d’examen des paquets de la PGW. Les règles de tarification sont chargées via l’in- terface Gy en utilisant le protocole Diameter et la bande passante peut être modifiée en envoyant des comman- des via l'interface Gx utilisant le même protocole. • HSS : Serveur Nominal des abonnés (Home Subscri- ber Server). Base de données centrale qui contient les infor- mations de souscription des clients nécessaires aux fonctions d’ePC ainsi que des informations de localisa- tion des UE. On y retrouve les fonctionnalités du HLR (Home Location Register) et de l’AUC (centre d’authen- tification ) des réseaux 2G et 3G comme la gestion de la mobilité, l’authentification des utilisateurs et l’autori- sation d’accès. Comme il dispose d’interfaces en protocole MAP et Diameter, il peut être utilisé simultanément par les ré- seaux 2G, 3G, LTE et IMS d'un même opérateur. La répartition de ces fonctions dans les équipe- ments qui constitueront le réseau ePC est laissée libre : par exemple, il est possible d'implanter les fonctions de SGW et de PGW dans le même nœud de réseau. L'in- térêt de tels regroupements fonctionnels dépend de la taille du réseau à desservir ainsi que son trafic. 2.4. Les canaux de transport de données IP (bearers) Le réseau ePC établit des canaux de transport de données entre 2 points pour y effectuer le transfert de données. Ces échanges se font entre le terminal du client et la PGW définie dans le paragraphe précédent. Si on fait l’analogie avec le cœur de réseau paquets des systèmes 2G/3G, l’ensemble des canaux de transport de données établis entre l’UE et une PGW est à compa- rer avec le Contexte PDP défini comme un lien logique de transport de données. Comme on l’a vu plus haut, lorsque l’usager s’atta- che au réseau, la PGW crée un canal de transport de données par défaut qui offre une connectivité perma- nente sans débit garanti, ni qualité de service spécifi- que pendant toute la connexion. Une adresse IP est alors affectée au terminal. Le client peut créer, ensuite, en fonction des services qu’il utilise, d'autres canaux de transport de données dits dédiés. A ces canaux dé- diés, il est possible d'attacher des exigences de qualité de service. Par exemple, si l’usager souhaite lancer un appel vocal ou visiophonique, le réseau pourra établir pour la durée de l'appel un canal de transport de don- 96 ◗ REE N°5/2011 la quatrième génération des systèmes mobiles nées dédié qui garantit la qualité de service et le débit afin de disposer d'un niveau de qualité analogue à celui fourni par le mode circuit. L’adresse IP obtenue à l'atta- chement au réseau est commune à tous les canaux de transport de données dédiés ou par défaut qui peuvent être établis entre l'UE et une PGW donnée. Les spécifications d'ePC permettent à un même terminal de se connecter simultanément via le même accès eUTRAN à plusieurs réseaux de paquets IP par des PGW différentes  : elles sont identifiées par des APN distincts (Access Point Name, concept hérité des réseaux 3G). Dans ce cas, pour chaque réseau auquel l'UE souhaite se connecter, un lien de transport de don- nées par défaut sera établi et une adresse IP spécifique leur sera allouée. 2.5. Architecture et protocole : exemple de l’at- tachement au réseau L’articulation entre l’UTRAN et l’ePC est dite flexi- ble : un même eNB peut être servi par plusieurs MME ou plusieurs SGW. A l’origine, dans les réseaux 3GPP jusqu'à l'arrivée de la version 5, un RNC était hiérarchi- quement raccordé à un seul SGSN. A partir de R5, il devient possible à un RNC de se connecter à plusieurs SGSN via l'interface dite lu-flex. Cette possibilité est in- cluse dès la conception de LTE. Elle a un certain nombre d'avantages : • Un même réseau d'accès commun peut être partagé par plusieurs opérateurs de cœur de réseau : cela leur permet de partager les coûts de déploiement et d’ac- célérer la couverture d'une zone géographique ; • Une panne complète de MME ou de SGW n'inter- rompt pas l'accès au service ; • La répartition du trafic entre les différents nœuds du réseau est facilitée. Toutefois, un terminal (UE) n'est enregistré qu'auprès d'un seul MME à un instant donné. Pour illustrer rapidement l'interaction des différentes entités fonctionnelles décrites plus haut, nous décrivons dans la figure 3 le principe simplifié de l'attachement au réseau ePC, par exemple, à la mise sous tension d'un terminal. L’UE envoie une requête d'attachement vers l'eNB. Cette requête contient l’identité du client ainsi que celle de l'opérateur. L'eNB en déduit le MME adéquat de l'opérateur avec lequel l'UE souhaite s'attacher. Le MME obtient auprès du HSS les données nécessaires à l’authentification de l’UE et procède à son authentifi- cation. Il reçoit du HSS les données de souscription de l'UE avec les APN autorisés et les exigences de qualité de service demandées pour chaque APN et met à jour la localisation de l’UE (identifiant du MME le desser- vant) dans le HSS. Le MME crée alors un contexte as- socié à l'UE. Figure 3 : procédure d’attachement au réseau ePC simplifiée. REE N°5/2011 ◗ 97 La quatrième génération des systèmes mobiles : Le réseau cœur LTE : ePC Le MME sélectionne une Serving GW et émet une requête de création de session (pour la création du canal de transport de données par défaut) à la SGW sélectionnée. La SGW crée une nouvelle entrée dans sa table de canaux de transport de données et émet une requête de création de canal de transport de données à la PGW qui fournira une adresse IP. La PGW peut aussi interagir avec l'entité PCRF afin d'obtenir les règles de taxation permettant de différencier les flux de service qui transiteront par le canal de transport de données par défaut et ainsi différencier la taxation de ces flux. Dans le cas du schéma, on peut imaginer que l’opé- rateur applique une règle de “Fair Usage” sur ce service et pour cet usager. Le PCRF répondra à la PGW via l’in- terface Gx en lui indiquant la limite de bande passante à appliquer. La PGW retourne une réponse contenant l'adresse IP allouée à l'UE. L’UE fera ensuite une requête supplémentaire pour obtenir un canal de transport de données dédié pour utiliser un service nécessitant un débit garanti comme par exemple un service que nous décrivons dans le paragraphe 3. Quand l'UE n'est pas dans son réseau nominal, (cas du roaming), elle est desservie par un eNB du réseau visité qui sera lui-même servi par un MME et une SGW de ce même réseau. Pour ce qui concerne la PGW, ePC offre deux possibilités : elle peut appartenir soit au ré- seau visité, soit au réseau nominal. Dans le premier cas le routage des paquets de données peut être effectué au plus court. Dans tous les cas, c'est le PCRF du réseau nominal qui interviendra directement ou indirectement auprès de la PGW pour fournir les données nécessaires à la tarification et l'application de la qualité de service. 2.6. La mise en œuvre de la QoS L’obtention d’un niveau de qualité de service (QoS) donné pour une session de service dans les réseaux de paquets IP impose de définir de nombreux paramè- tres macroscopiques : • Des paramètres relatifs à la session de service qui s’imposeront aux équipements de la couche de trans- port, c'est-à-dire : - Un débit garanti minimum à la session, si nécessaire - Un retard maximum des paquets appartenant à cette session lors de la traversée du réseau - Des priorités à donner aux paquets d'une session de service donnée - Le respect d'un taux maximum de perte de paquets à la traversée des réseaux • Des paramètres plus globaux de limitation de trafic qui permettent d'assurer que le trafic de chaque client ne dépasse pas le niveau autorisé par son contrat avec l'opérateur. Dans ePC, les paramètres de QoS s'appliquent au canal de transport de données : si un même canal de transport de données est utilisé pour transporter plu- sieurs flux de service, les mêmes paramètres de QoS sont appliqués aux deux flux. Les paramètres de QoS associés à chaque canal de transport de données sont les suivants : • Le QCI (QoS Class Index) (figure 4) décrit une com- binaison de 3 paramètres de QoS applicables à un canal de transport de données mis en place entre le terminal identifié par son adresse IP et la PGW : le dé- lai maximum de transmission des paquets, la priorité qui leur est applicable et le taux de perte de paquets. Dans chaque nœud de transport de paquets, QCI per- met de configurer les mécanismes de traitement des paquets de chaque canal de transport de données, files d’attente à utiliser, rythme de lecture des files d’attente etc… QCI évite de fournir explicitement les valeurs du jeu des 3 paramètres. C’est par un mes- sage émis par le MME (appelé Bearer Setup Request) vers l’eNB, lui demandant de créer un canal d'accès entre l'UE et la SGW que le QCI applicable sera connu des éléments de la couche de transport. • ARP : Priorité d'allocation et de rétention (Allocation Retention Priority) indique la priorité d’un canal de transport par rapport à un autre. En cas de conges- tion, la comparaison des valeurs d’ARP permet de sa- voir quels seront les canaux de transport de données dont les paquets sont à supprimer en premier. Ainsi, il est possible d'accepter ou de rejeter une demande d'établissement de canal de transport de données quand les ressources de bande passante sont insuf- fisantes ou bien, lors d’un handover vers un eNB, de décider quel canal de transport de données libérer lorsque les limites de bande passante de l’eNB sont atteintes. • GBR (Guaranteed Bit Rate) : débit minimal garanti. Ce paramètre permet d'assurer à un canal de transport de données l'obtention d'un débit minimum. On identifie deux types de canaux de transport de données : - les canaux de transport de données à débit mini- mum garanti (GBR) correspondant aux cinq pre- 98 ◗ REE N°5/2011 la quatrième génération des systèmes mobiles mières valeurs de QCI que l'on explicite dans la suite - et les canaux de transport à débit non garanti (non- guaranteed bit rate non-GBR) avec QCI prenant les valeurs de 5 à 9. Le tableau de la figure 4 est à configurer pour chaque APN. Les exemples de service qui y sont décrits sont indicatifs, on pourrait les subdiviser par type d’usager et configurer un APN en mettant par exemple les MMS business avec un QCI de 6 et les MMS grand public avec un QCI de 9. Dans le cas d’un réseau IMS, on veillera par exem- ple à fixer un QCI à 5 (valeur recommandée) pour la signalisation des services concernés et à disposer d’un service GBR pour la VoIP avec le QCI = 1 (valeur re- commandée). On pourrait également définir un APN dédié pour les services IMS et avoir un paramétrage allégé pour cet APN sans avoir à configurer les QCI pour les services non IMS. Pour permettre le contrôle et la limitation du trafic non GBR, d’autres paramètres de QoS s’appliquent aux canaux de transport de données non-GBR : • UE-AMBR  (Aggregate Maximum Bit Rate) : fixe un débit binaire maximal sur l’ensemble des canaux non-GBR d’un UE donné. L’AMBR limite donc le dé- bit binaire global que l’on peut fournir à travers tous les canaux de transport de données non-GBR d’un même UE. L’E-UTRAN met en application l’UE-AMBR aux voies montante et descendante. Le paramètre UE-AMBR fait partie des données de souscription de chaque client enregistrées dans le HSS. • L’APN-AMBR est défini par APN dans le HSS. Il limite le débit binaire global que l’on peut fournir à travers tous les canaux non-GBR pour un APN donné. Un ca- nal non-GBR peut potentiellement utiliser tout le débit fixé par l’APN-AMBR si les autres canaux non-GBR de l’APN n’ont pas de trafic. La PGW met en application l’APN-AMBR dans le sens descendant. L’exécution de l’APN-AMBR dans la voie montante est faite dans l’UE et dans la PGW. Pour chaque Bearer GBR, 2 paramètres sont définis : MBR : spécifie le débit maximum pour un canal de données GBR GBR : Spécifie le débit garanti pour un canal de don- nées GBR GBR et MBR fixent une bande passante par canal de transport de données. Ils peuvent avoir la même valeur. C’est dans un message demandant à l’eNB de créer un canal d’accès entre l’UE et la SGW que le MME transmet à l’eNB les informations de QoS à appliquer sur ce canal. En complément de ces paramètres et de la gestion par le réseau qui en est faite, l’opérateur a la possibilité de faire évoluer dynamiquement la QoS sur les flux trai- tés dans LTE. Dans le paragraphe 2.3, nous avons décrit le PCRF comme étant un élément majeur pour l’appli- cation des règles de QoS. Il décide de la QoS à appli- quer de manière dynamique à un canal de transport de Figure 4 : critères prédéfinis de qualité de service. REE N°5/2011 ◗ 99 La quatrième génération des systèmes mobiles : Le réseau cœur LTE : ePC données en fonction de la QoS actuellement appliquée dont il est informé par le réseau et d’informations liées à l’utilisateur et à sa localisation. La fonction en charge de l’application de la politique de service (fonction ap- pelée PCEF-Policy and Charging Enforcement Function) intégrée dans la PGW, (voire parfois dans un GGSN du réseau 3G), transfère au PCRF les informations de QoS définis plus haut dans ce paragraphe (QCI, ARP, APN- AMBR, MBR et GBR) et lui notifie, également, leur mo- dification en temps réel. Une fonction applicative (par exemple un serveur d’application du monde IMS ou un partenaire tiers) peut demander au PCRF via l’interface Rx de modifier la QoS. Le PCRF traitera alors la demande en prenant en compte le profil du client (option, type d’abonnement et consommation) issu de la base de données des profils clients, avant d’envoyer l’ordre de modifier la bande passante au PCEF. Il est clair que le PCRF ne pourra pas imposer un débit allant au-delà de ce qui est fixé dans le MBR et APN-AMBR. En cas de QCI>=5 (débits non garantis), le PCRF peut demander à la PGW une modification de la QoS associée à la QCI. Dans d'autre cas, comme par exemple quand un client recharge son forfait, le PCRF peut demander une modi- fication de la session pour changer la QCI par défaut, ce qui, en général, modifie la QoS de l'ensemble du trafic de l'utilisateur. 3. Fourniture des services de voix en LTE Actuellement, l’ePC ne fournit pas, nativement, de service de voix. Diverses solutions ont été identifiées pour fournir un service de voix sur IP, en réutilisant au maximum les infrastructures existantes des opérateurs : l'infrastructure IMS et le cœur de réseau 3G. Trois solu- tions possibles sont décrites dans la suite : • VoLTE (voix sur LTE) où la voix est transportée sous forme de paquets IP dans la couche transport de LTE et où les sessions de voix sont gérées par IMS ; • Circuit Switch Fall Back qui consiste à faire traiter les sessions de voix par les réseaux 3G préexistants  : le réseau LTE se contente de traiter les sessions de transport de données ; • Volga qui introduit un nouveau nœud réseau. Pour la solution VoLTE, la problématique essentielle réside dans le transfert d'une session de voix établie dans le réseau LTE vers le réseau 2G/3G, par exemple quand la couverture LTE n'est plus suffisante. La fonc- tion SRVCC (Single Radio Voice Call Continuity) peut- être utilisée pour assurer ce transfert. SRVCC permet de transférer un appel vocal établi dans le domaine pa- quet VoIP/IMS au domaine de circuit. L’UE ayant établi un appel vocal, en s'éloignant de la couverture de LTE, notifie cette situation au réseau LTE. Le réseau LTE de- mande au domaine circuit de poursuivre l’appel vocal. Pour cela, le MME indique au serveur MSC qui dessert la zone où se trouve l'UE le besoin de transférer l’appel vocal du domaine paquet au domaine circuit. Le serveur MSC établit dans le RAN 2G/3G un circuit pour desservir l’appel du mobile et indique au cœur IMS que l’appel du mobile doit être déplacé du domai- ne paquet au domaine de circuit. Le cœur IMS exécute alors les fonctions d’interfonctionnement de réseaux nécessaires. VoLTE impose donc que le serveur MSC et le MME puissent dialoguer via l'interface Sv : en particu- lier les serveurs MSC des réseaux existants doivent être adaptés pour disposer de cette interface. Le processus CSFB (Circuit switch fallback : bascu- lement vers le mode circuit) permet également de fournir le service voix aux usagers détenteurs de ter- minaux LTE en s'appuyant sur l'infrastructure circuit des réseaux 2G ou 3G. Pour ce faire, le MME doit pouvoir transmettre en permanence la localisation de l'usager contenue dans sa base au serveur MSC : une interface, appelée SGs est créée entre le MME et le serveur MSC pour effectuer cette transmission. Le MME informe en- suite l’eNB pour provoquer le basculement de l’UE sur l’UTRAN. Parallèlement, les liens de données existant sur LTE sont transférés dans le domaine paquet de l'ac- cès 2G ou 3G sélectionné. L'usager est ainsi transféré de façon transparente sur l’UTRAN pour effectuer son Figure 5 : architecture VoLTE. 100 ◗ REE N°5/2011 la quatrième génération des systèmes mobiles appel. Cette technique ne permet pas de donner accès aux HeNB (cas des femto cells) et nécessite des évo- lutions sur le MSC et le MME pour supporter l’interface SGs, et, également, sur le terminal pour suspendre la session LTE et se réattacher sur l’accès 2G/3G (dual mode). D’un point de vue de l’expérience du client, cet- te technique pourrait induire des délais sensibles. C'est ce mode de traitement de la voix qui s'impose comme le mode minimum nécessaire dans les réseaux LTE. Toujours dans l'optique de réutiliser le cœur circuit pour les services voix, le forum VoLGA (Voice over LTE via Generic Access Network) a réfléchi à un accès générique LTE standard basé sur le GAN (Generic Ac- cess network) défini par le 3GPP avec l'idée d'intégrer un “VoLGA Access Network Controler”, entre la PGW et le MSC qui effectue la mise en paquet de la voix et des SMS, ce qui évite d'investir sur des évolutions coûteuses sur le MSC, évolutions considérées comme peu pérennes par les opérateurs. VoLGA impose donc d'intégrer et d'exploiter un nœud supplémentaire pour permettre de supporter les femto-cells. Le scénario VoLTE semble le plus souvent choisi par les opérateurs pour éviter d'investir sur un nouveau nœud comme proposé dans la solution Volga, et CSFB est la solution de base minimale pour les réseaux LTE. 4. Perspectives de mise en œuvre de LTE 4.1. Situation des standards La version 7 des spécifications du 3GPP (disponible en fin 2007), a fourni les résultats de l'étude de faisabilité d'un réseau cœur mobile tout-IP. Les spécifications d’ePC ont été définies par le 3GPP dans la version 8 : le ré- seau ePC qu'elles définissent peut être accessible depuis un accès fondé sur eUTRAN et sur d’autres technologies d'accès radio. Les premières solutions de VoLTE décrites dans le chapitre 5 sont proposées dans la version 8. Les spécifications de la version 9 datent de mi-2010 : elles introduisent des évolutions sur CSFB, le traitement des SMS sur l’interface SGs, SRVCC et eMBMS (evolved Multimedia Broadcast Multicast Control) servant à la diffu- sion d'une vidéo à plusieurs utilisateurs d'une même cellule simultanément. Une des grandes évolutions disponibles avec la ver- sion 9 est la possibilité de sélectionner le réseau d'accès à l'aide de la fonction ANDSF (Access Network Disco- very and Selection Function-fonction de découverte et de sélection du réseau d’accès). Cette fonction four- nit des informations à l’UE sur la connectivité offerte par les réseaux d’accès 3GPP et non 3GPP (comme le Wi-Fi). Le but de l’ANDSF est d’aider l’UE à découvrir les réseaux d’accès dans leur voisinage et de prévoir des règles pour prioriser et gérer les connexions à ces ré- seaux. Ainsi, l'UE devrait pouvoir tirer un parti optimum des différents réseaux d'accès utilisables dans la zone où il se trouve. La version 10 devrait être terminée à la mi- 2012 et proposera notamment des évolutions pour la prise en compte des accès non-3GPP. 4.2. Situation des développements de LTE Tous les grands fournisseurs d'équipements de réseaux mobiles continuent à développer une gamme de produits en conformité avec les spécifications de LTE. Ils prévoient la migration vers l'ePC en intégrant, dans les équipements de réseaux 3G, les fonctionnalités de la release 8 (notam- ment les nouvelles interfaces S3 et S4 sur le SGSN). Ainsi, les opérateurs pourront évoluer facilement vers LTE, en mettant en œuvre l'interopérabilité entre les nœuds des réseaux existants avec les nœuds ePC. Figure 6: Basculement sur réseau 2G/3G pour les appels voix (CSFB) REE N°5/2011 ◗ 101 La quatrième génération des systèmes mobiles : Le réseau cœur LTE : ePC La plupart des évolutions de la release 9 ne seront disponibles que fin 2011 voire début 2012 chez la plu- part des fournisseurs. Ces derniers proposent déjà le SMS sur l’interface SGs et le CSFB pour faire traiter le service de voix sur le cœur 3G. Les autres évolutions sont plutôt prévues pour la fin 2011, quant à la release 10, elle sera disponible chez les fournisseurs fin 2012 voir début 2013 en fonction, aussi, des demandes des opérateurs. Au niveau des performances, on constate que les fournisseurs proposent des PGW pouvant supporter de 10 à 60 millions de canaux de transport de données avec des grandes disparités sur le nombre de deman- des d’attachements d’UE par l’eNB qui peut atteindre jusqu’à 150 000 req/sec. Dans beaucoup de cas, pour les opérateurs dont le trafic est limité, il sera possible de traiter le trafic du réseau avec un seul couple SGW/ PGW : ainsi des économies d'échelle devraient être possibles en passant d'un cœur 3G à l'ePC. Les entités fonctionnelles peuvent être regroupées dans des équipements du type « combi », regroupant 2 entités fonctionnelles telles que MME et SGW ou SGW et PGW. Ces mises en œuvre ont bien souvent des performances inférieures à celles d'équipements indé- pendants mais peuvent convenir à des opérateurs de taille moyenne. Il faut noter que l’activation des différentes fonction- nalités peut agir sur les performances. Par exemple, l’activation du filtrage des paquets ou de la chaîne de taxation peut faire chuter les performances mesurées jusqu'à 50 %. 4.3. L’impact sur les infrastructures La croissance des débits crêtes offerts et la réduc- tion du nombre de nœuds constituant le réseau ePC vont avoir un impact fort sur les infrastructures. Les débits des liens de transmission ou de niveau 2 raccordant les eNB (liens dits de backhaul) au cœur de réseau devront pouvoir atteindre des valeurs de l'ordre de 100 Mbit/s, si l'opérateur de réseau mobile souhaite que ses clients puissent faire l'expérience d'un débit crête de cet ordre, et puisse assurer que l'objectif de réduction de temps de latence, qui était un de ceux de LTE, est bien atteint. A cette croissance du débit s'ajoute la nécessité pour chaque eNB de disposer d'une connectivité avec ses voisins ainsi qu’avec plu- sieurs MME et plusieurs SGW. C'est donc à un vérita- ble réseau de collecte de trafic et de signalisation que chaque eNB doit pouvoir se connecter. Il est probable que, pour ce faire, les opérateurs mobiles feront appel à des réseaux de collecte Ethernet ou IP, comme l’ont fait les opérateurs de réseaux fixes pour collecter le tra- fic d'accès à Internet sur l'accès fixe DSL ou sur l'accès par fibre optique. Pour permettre des débits crêtes élevés, la technolo- gie des liens physiques de raccordement des eNB doit donc continuer à évoluer comme elle a évolué avec l'introduction de HSPA sur les réseaux 3G : le raccor- dement optique des sites radio va devenir de plus en plus fréquent au moins dans les zones denses, et dif- férentes techniques de transport de trames Ethernet permettant d'exploiter au mieux les faisceaux hertziens et l'infrastructure cuivre (par exemple en multiplexant un flux Ethernet à haut débit sur n paires de cuivre) seront largement utilisées. L'architecture d'ePC séparant complètement le trans- port de la commande, on peut envisager (et c'est ce que montrent les tests des équipements industriels) que la capacité de traitement ou de transport de trafic des différentes entités physiques constituant un réseau ePC soit très grande. Cette situation va amplifier la cen- tralisation des nœuds du réseau mobile déjà entamée notamment avec la mise en œuvre de la version R4. Enfin la possibilité d'utiliser IMS pour la comman- de des sessions de voix sur LTE, fait que les idées de convergence des infrastructures fixe et mobile pour- raient commencer à trouver leur concrétisation. 5. Les déploiements de LTE : situation actuelle Pour déployer de nouvelles générations de réseaux mobiles, la disponibilité des équipements de réseaux est évidemment un pré-requis : il est loin d'être suf- fisant. La disponibilité d'une gamme de terminaux et de dispositifs clients exploitant le nouveau standard est essentielle. D’après GSA (Global mobile Suppliers Association), 161 terminaux et équipements clients compatibles avec la norme LTE étaient disponibles à la mi-2011. Les premiers déploiements de réseau LTE ont été faits par Telia Sonera à la fin 2009 et ensuite d’autres lancements se sont succédé rapidement. Le premier semestre 2011 a été très chargé en termes de déploie- ment pour le LTE. A la fin août 2011, GSA identifiait dans le monde, 26 réseaux LTE en exploitation dans 18 pays. Telia Sonera a mis en œuvre plusieurs réseaux LTE en 102 ◗ REE N°5/2011 la quatrième génération des systèmes mobiles Europe du nord et dans les pays baltes. Aux Etats-Unis d'Amérique, Verizon Wireless a lancé son service LTE en novembre 2010 sur plus de 30 villes, ATT Mobility devait lancer son service LTE à l'été 2011. Verizon a déjà plus de 500 000 clients LTE au bout de 5 mois avec un réseau à base d'équipements d'Alcatel Lucent et Ericsson et, au Japon, DOCOMO compte avoir plus de 17 millions de clients LTE d'ici 2015 quand KDDI en annonce 9 millions environ à la même date. En France, un premier lot de fréquences vient d’être attribué par l'ARCEP. Des tests sont d'ores et déjà en cours chez les différents opéra- teurs. Les premiers lancements de service commerciaux devraient intervenir en 2012/2013. Toujours selon GSA, 237 opérateurs dans 85 pays investissent ou ont annoncé leur intention d'investir dans des réseaux LTE. On prévoit qu'en fin 2012, au minimum 93 réseaux LTE soient en service. 6. Conclusion LTE et en particulier ePC marquent le début d'un nou- veau cycle technique dans le domaine des réseaux mobi- les, avec la reconnaissance de la prépondérance du trafic de transport de données et la disparition des techniques de commutation de circuits. Ce cycle se caractérise aussi par la capacité d'ePC à gérer plusieurs technologies d'ac- cès radio sur un même réseau cœur. Ainsi la conver- gence vers un standard unique en matière de cœur de réseau mobile semble être en cours de réalisation. Les lancements commerciaux et les annonces de lan- cements commerciaux laissent bien augurer de l’avenir de cette technologie qui devrait rencontrer le même succès que les précédents standard développés par le 3GPP. Philippe Le Guennec, diplômé de l’Ecole Nouvelle d’Ingé- nieurs en Télécommunication, est ingénieur chez Orange depuis 14 ans. Après une expérience de 6 ans en qualité de chef de projet sur les services du Réseau Intelligent, il oriente ses activités vers les services mobiles en s’occupant des spécifications du portail grand public et des services prépayés. Il est actuellement, à Orange Labs, responsable du programme cœur de réseau mobile, pour notamment préparer et mettre en œuvre le déploiement du LTE/EPC. l'auteur