5G et Open RAN
La technologie de réseau de cinquième génération (5G) est au centre des préoccupations de l’industrie mondiale de la téléphonie mobile, car les abonnés du monde entier sont devenus dépendants d’un accès ininterrompu à l’Internet à haut débit, qui prend en charge leurs applications et services mobiles, où qu’ils aillent.
Des changements spectaculaires apportés à la technologie, l’architecture des réseaux et au spectre radioélectrique disponible ont ouvert la voie à la mise en œuvre d’un nouveau réseau mobile 5G. À mesure que le réseau évolue pour être encore plus axé sur le logiciel et qu’il adopte un modèle de déploiement basé sur le cloud, il est possible de créer une architecture ouverte et normalisée à travers les réseaux, en s’appuyant sur des logiciels ouverts, qui permettent une interopérabilité ouverte entre fournisseurs.
Ce concept d’Open RAN promet de modifier les modèles économiques, opérationnels et de déploiement des futurs réseaux mobiles.
Pour la 5G/Open RAN ?
Un réseau aux capacités et performances améliorées
Des performances haut débit mobile pouvant atteindre un gigabit over-the-air, et une latence nettement inférieure
Des réseaux centralisés, axés sur le logiciel
Prise en charge du déploiement automatisé pour une efficacité opérationnelle et une flexibilité dynamique en fonction de l’évolution des conditions du réseau.
Une plateforme ouverte à l’innovation
Les nouvelles capacités techniques permettent une plus grande variété d’applications et de services pour les consommateurs, les industries et les appareils
Évolution des normes mobiles
Depuis le déploiement de la technologie mobile numérique au début des années 1990, on assiste à une évolution continue des normes mondiales dans ce domaine. L’avènement du GSM (Global System for Mobile communications) au début des années 1990 a permis d’étendre les capacités des systèmes AMPS (Advanced Mobile Phone Service) antérieurs grâce à des appels vocaux à codage numérique, à une messagerie bidirectionnelle et à un réseau interconnecté à l’échelle mondiale permettant l’itinérance entre opérateurs, on parle alors de technologie mobile de deuxième génération ou 2G.
La technologie mobile de troisième génération (3G) qui a succédé au GSM dans les réseaux mondiaux était basée sur la norme UMTS (Universal Mobile Telephone Service). Ce système a permis la prise en charge de nouvelles bandes de fréquences plus élevées avec une capacité supplémentaire, et a offert de nouvelles techniques de modulation qui utilisent efficacement le spectre. Associé à l’amélioration de la technologie des terminaux en raison de la miniaturisation des semi-conducteurs, ce système a servi de plateforme pour les premiers services de données mobiles largement déployés, permettant le courrier électronique, les services médias de base et (dans certains cas) l’accès au web.
Une fois la technologie 3G arrivée à maturité et entièrement déployée, l’adoption généralisée de la technologie d’accès à l’Internet à haut débit via les réseaux filaires a permis aux services et applications basés sur le web de s’imposer dans la vie de la plupart des clients. Bien que certaines technologies comme la HSDPA (High Speed Downstream Packet Access) aient été introduites pour améliorer les services de données des réseaux 3G, une solution permettant de fournir un véritable service de données mobiles à haut débit était nécessaire.
La norme LTE (Long Term Evolution) est devenue la technologie de réseau de quatrième génération (4G) dominante, pionnière dans l’adoption des données par paquets dans la conception du réseau mobile, et qui a permis de réaliser véritablement les premiers accès à l’Internet mobile à haut débit. Ce système était soutenu par un réseau central de données basé sur des paquets, appelé EPC (Evolved Packet Core). L’élimination du paradigme de la commutation de circuits dans la norme LTE a également ouvert la voie à des codecs vocaux haute fidélité (large bande), à la technologie de communication vocale sur IP (appelée VoLTE) et à des services de communication multimédias riches pris en charge par l’IMS (IP Multimedia Subsystem).
Bien que la norme LTE puisse prendre en charge les services de communication interactifs en temps réel, les attentes des utilisateurs ont été progressivement réorientées vers de nouvelles expériences et applications telles que le streaming média haute définition, les jeux immersifs, la visioconférence, la collaboration sur Internet et l’Internet des objets (IoT). Ces nouveaux services axés sur le cloud présentent de nouvelles exigences en matière de performances, de capacité et de faible latence des réseaux omniprésents lorsqu’ils sont appliqués à un réseau mobile, et font donc partie des nombreuses sources de demande en matière de nouvelle technologie de réseau mobile de cinquième génération (5G).
Concepts de réseaux 5G
Dès le départ, le projet d’élaboration des normes 5G s’articulait autour de trois axes et objectifs principaux pour fournir des capacités de réseau mobile améliorées.
- eMBB (Enhanced Mobile Broadband)
- URLLC (Communications ultra-fiables à faible latence)
- mMTC (Massive Machine-Type Communications)
Normalisation de la 5G
Le 3GPP (Third Generation Partnership Project) a été et reste la principale instance de normalisation mondiale pour la technologie de réseau mobile, y compris pour la 4G, et aujourd’hui pour la 5G. Les travaux de normalisation pour la 5G ont commencé avec la version 15, une vague de spécifications initialement livrées en 2017.
Cette version initiale a jeté les bases de l’interface radio de la 5G NR (5G New Radio), qui comprenait une série de bandes supplémentaires utilisées dans le monde entier pour étendre les fréquences « Sub-7 » (inférieures à 7 GHz), également appelées FR1 (Frequency Range 1). L’arrivée de la 5G NR a également introduit des fréquences dites « ondes millimétriques » (mmWave) dans la gamme des micro-ondes, FR2 (Frequency Range 2), qui n’étaient pas utilisées auparavant dans les communications mobiles terrestres. L’augmentation spectaculaire du spectre disponible pour l’interface radio est en grande partie à l’origine de la possibilité d’atteindre des vitesses de plusieurs gigabits pour les appareils individuels grâce à la 5G, offrant un certain niveau de parité avec la technologie optique à large bande dans le domaine des réseaux fixes.
Les spécifications de la version 15 définissent également un nouveau noyau de paquets pour la 5G, appelé « 5G Core » (5GC). Cela a permis de déployer des stations de base 5G New Radio (appelées « gNB ») capables de se connecter aux réseaux de données EPC (Evolved Packet Core) existants en mode NSA (Non-Stand Alone) pour la rétrocompatibilité ou de se connecter au noyau 5G d’un réseau 5G en mode SA (Stand Alone).
Les normes 5G se distinguent par le remplacement d’un grand nombre de protocoles de signalisation et de contrôle spécifiques aux mobiles par des alternatives axées sur le web, plus proches de la technologie utilisée pour les applications natives dans le cloud (HTTPS, REST, etc.). Cette stratégie de conception a également facilité la séparation formelle des entités du plan de contrôle et du plan utilisateur/données dans le 5GC, une approche appelée CUPS (Control and User Plane Separation). Combinée à des implémentations logicielles des sous-systèmes du noyau de paquets, l’approche CUPS a permis une plus grande évolutivité, l’équilibrage des ressources matérielles et la distribution/localisation d’instances individuelles vers des zones spécifiques du réseau en optimisant la latence et l’utilisation du transport.
Les spécifications issues de la version 16 pour la 5G ont introduit la prise en charge du DSS (Dynamic Spectrum Sharing), qui a permis le déploiement simultané de la RAT (Radio Access Technology) 5G avec les systèmes 4G hérités dans les mêmes bandes de fréquences. La 5G a alors pu être déployée dans des environnements où les nouvelles bandes de fréquences spécifiques à la 5G n’étaient pas disponibles, ou pas prêtes à être mises en œuvre. L’ajout de la fonction 5G NR-U (New Radio Unlicensed), qui offre un avantage supplémentaire aux opérateurs soumis à des contraintes de spectre, permet d’utiliser des bandes de fréquences sans licence (généralement partagées avec le Wi-Fi) sous le contrôle du réseau 5G.
L’autre fonctionnalité clé de la version 16 est l’ajout de la prise en charge du découpage en réseau. Ce concept permet de créer des partitions de bout en bout des ressources du réseau (y compris dans les infrastructures partagées). Il est ensuite possible d’attribuer des « tranches » individuelles à des classes d’utilisateurs spécifiques, à des applications spécifiques, voire à des clients individuels (dans le cas de la 5G privée).
Récemment, les spécifications de la version 17 ont ajouté une nouvelle capacité unique d’accès à l’aide de réseaux non terrestres (NTN). Bien que des systèmes spécialisés de liaison montante ou descendante par satellite soient utilisés depuis un certain temps avec des réseaux mobiles terrestres, c’est la première fois que la réutilisation des systèmes radio, des bandes et des procédures en provenance du réseau terrestre est appliquée pour fournir un accès direct aux terminaux à partir de stations gNB par satellite sous la forme d’un système intégré.
À partir de la version 17, la prise en charge d’un large segment du spectre pour FR2 a été ajoutée, permettant l’utilisation de près de 20 GHz de capacité totale dans la région de 60 GHz.
Progression de l’architecture RAN
Le RAN (Radio Access Network) est un élément clé de l’architecture de la 5G, et une grande partie de l’orientation technique des normes. Un certain nombre d’architectures différentes sont apparues au fil du temps pour le placement et l’interconnexion des composants RAN.
Le modèle initial des systèmes mobiles dans les réseaux macro-cellulaires était une architecture D-RAN (Distributed Radio Access Network), dans laquelle l’équipement radio, le traitement numérique/de la bande de base et les éléments de commutation, de transport ou de routage du réseau étaient tous présents sur le site d’une station de base autonome. Cette approche minimise la dépendance à l’égard de tout autre élément ou infrastructure de réseau pour l’exploitation du site, mais exige un minimum important d’énergie, d’espace, d’installations et d’équipements auxiliaires pour créer une station de base ou un « nœud B ».
Avec l’apparition de normes telles que la CPRI (Common Public Radio Interface), il est désormais possible de séparer les composants radio et d’antenne des autres éléments exécutant les fonctions de la couche numérique/bande de base du RAN à l’aide d’une connexion de transport optique ou par paquets « fronthaul », réduisant ainsi la quantité d’équipements devant être présents sur le site d’une station de base. Cela s’est avéré particulièrement utile lorsque le réseau a continué à s’étendre et à se densifier, donnant lieu à des situations où un site radio était limité par l’espace, ou lorsque les exigences de couverture nécessitaient l’installation d’unités radio à un endroit où le déploiement d’une station de base traditionnelle n’était pas possible ou pas souhaitable. Dans ces cas, les unités numériques ou de bande de base (BBU) et tous les éléments supplémentaires nécessaires pour fournir une connectivité de réseau plus importante au noyau de paquets pourraient être déplacés vers un site central, dans ce qui est maintenant appelé une architecture C-RAN (Centralized Radio Access Network).
L’étape suivante de cette évolution a été l’architecture du réseau virtualisé V-RAN (Virtualized Radio Access Network). Dans cette approche, les fonctions de réseau virtualisées ou conteneurisées sont mises en œuvre dans le logiciel, à l’aide de plateformes informatiques polyvalentes afin de remplacer les mises en œuvre matérielles spécialisées des fonctions numériques et de bande de base. L’adaptation de l’interface de l’unité radio (RU) pour utiliser un format basé sur les paquets tel que le eCPRI (Enhanced CPRI) permet aux interfaces de l’unité de bande de base virtuelle (vBBU) orientées vers la radio et vers le cœur du réseau (ou « Backhaul ») d’utiliser une technologie commune basée sur l’Ethernet pour toutes les connexions réseau, conformément à la norme commune des centres de données des opérateurs. Cette approche NFV (Network Function Virtualization) permet de déployer et de gérer les charges de travail de la fonction RAN avec un ensemble d’autres charges de travail similaires dans le centre de données de l’opérateur, en suivant un cadre et des ressources informatiques communs.
Open RAN
Les normes Open RAN établies par l’O-RAN ALLIANCE visent à étendre le modèle vRAN en désagrégeant les composants BBU et RAN dans une architecture entièrement distribuée, tout en définissant des interfaces standard entre les sous-systèmes, ce qui leur permet d’être interchangeables et interopérables.
L’architecture O-RAN actuelle prévoit la séparation fonctionnelle des composants RAN en une unité radio (RU), une unité distribuée (DU), une unité centralisée (CU) et un contrôleur radio intelligent en temps réel et non temps réel (rtRIC et nrtRIC). L’architecture comprend également un composant SMO (System Management and Orchestration) qui coordonne le déploiement, la gestion et la télémétrie de chacun des composants logiciels distribués de la fonction réseau, y compris les interactions avec l’infrastructure O-Cloud qui héberge les fonctions réseau. Chacun de ces éléments nécessite une interconnexion de réseau pour fonctionner, et une fonction de commutation ou de transport de paquets si le composant adjacent est situé sur un site distant.
Dans cette architecture, l’unité radio (RU) est l’entité responsable de la numérisation des données de la couche radio pour l’unité distribuée (DU) en amont qui la contrôle. La fonctionnalité présente dans la RU comprendra généralement un certain nombre d’instances d’émetteurs-récepteurs, d’amplificateurs de puissance et de fonctions de numérisation pour chacun des flux spatiaux dans une configuration MIMO (Multiple Input/Multiple Output), la commande d’antenne et le traitement des paquets de la liaison montante pour la connexion à la DU.
L’unité distribuée (DU) est l’élément qui fournit les fonctions de contrôle de la couche de liaison (MAC) pour les unités radio (RU) auxquelles elle est reliée, ainsi qu’une partie des fonctions de traitement du signal de la couche physique (PHY) liées au codage, au brouillage, à la modulation, à l’égalisation, au mappage de la couche MIMO et à la formation de faisceau pour le trafic radio-destiné.
Le trafic provenant d’une ou de plusieurs DU est regroupé par l’unité centralisée (CU), qui assure les fonctions de gestion des sessions d’utilisateurs, de distribution de la charge, de planification et de transfert. Ces fonctions sont moins exigeantes en termes de signaux et de traitement, mais elles impliquent généralement un plus grand volume total de données par paquets.
Le RIC (Radio Intelligent Controller) est un élément spécialisé et discret de l’architecture O-RAN qui assure la gestion des services et des politiques, l’analyse du RAN et les fonctions d’intelligence artificielle (IA) et d’apprentissage automatique (ML) afin de fournir une gestion et une optimisation automatisées et intelligentes des ressources radio et de l’exploitation dans des réseaux complexes. Ces fonctions s’utilisent sur une échelle de temps longue (1s+) ou « instantanée » (<<1s) dans le cas, respectivement, des sous-systèmes RIC non-temps réel et temps réel. Un cadre modulaire a également été mis au point pour faciliter l’extension de la logique et de la fonctionnalité du RIC par le biais d’interfaces ouvertes et normalisées utilisant rApps (pour nrtRIC) et xApps (pour rtRIC).
