Qu’est-ce que l’architecture 5G ?

Architecture 5G 3GPP

Le 3rd Generation Partnership Project (3GPP) couvre les technologies de télécommunication, notamment les réseaux d’accès sans fil (RAN), les réseaux de transport de cœur et les capacités de services. La norme 3GPP a établi des spécifications de système complètes pour l’architecture de réseaux 5G qui est beaucoup plus orientée vers les services que les générations précédentes.

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Les services sont fournis par le biais d’un cadre commun aux fonctions de réseaux ayant l’autorisation de les utiliser. La modularité, la capacité de réutilisation et l’autonomie de ces fonctions réseau constituent des considérations conceptuelles supplémentaires à prendre en compte pour l’architecture de réseau 5G décrite par les spécifications du 3GPP.  

Spectre et fréquence de la 5G
Plusieurs plages de fréquence sont désormais dédiées au spectre New Radio (NR) de la 5G. La portion du spectre radio dont les fréquences se situent entre 30 et 300 GHz est connue sous le nom d’onde millimétrique, car ses longueurs d’onde varient de 1 à 10 mm. Les fréquences situées entre 24 et 100 GHz ont été dédiées à la 5G dans de nombreuses régions du monde.  

• Outre l’onde millimétrique, les fréquences UHF sous-utilisées situées entre 300 MHz et 3 GHz, ainsi que les fréquences de bande C situées entre 3,7 et 3,98 GHz, ont été elles aussi réaffectées à la 5G.
• La diversité des fréquences utilisées peut être adaptée à une application unique. Les fréquences plus élevées sont caractérisées par une bande passante plus haute et une portée plus courte.  

  Les fréquences d’onde millimétrique sont idéales pour les zones densément peuplées, mais inefficaces pour les communications à longue distance.

• Avec une telle variété de bandes de fréquences dédiées à la 5G, les opérateurs ont commencé à s’adjuger leurs propres portions individuelles du spectre 5G.  

MEC
Le Multi-Access Edge Computing (MEC) est un élément important de l’architecture 5G. Dans le domaine du Cloud Computing, l’architecture MEC constitue une branche qui transfère les applications des datacenters centralisés vers la périphérie du réseau et, donc, plus près des utilisateurs finaux et de leurs appareils. Essentiellement, elle crée un raccourci pour la transmission de contenu entre l’utilisateur et l’hôte, contournant ainsi le long chemin réseau qui les séparait auparavant. Cette technologie n’est pas réservée à la 5G, mais elle fait assurément partie intégrante de son efficacité.

• La technologie MEC se caractérise par une faible latence, une haute bande passante et un accès en temps réel aux informations de réseau d’accès sans fil (RAN), autant de caractéristiques qui distinguent l’architecture 5G de ses prédécesseurs.
• Les réseaux 5G basés sur les spécifications 3GPP pour la 5G constituent un environnement idéal pour le déploiement de la technologie MEC. Les spécifications de la 5G définissent les fonctions contribuant au traitement des données à la périphérie du réseau (ou Edge Computing), ce qui permet aux technologies MEC et 5G d’acheminer le trafic de manière collaborative.
• La distribution de la capacité informatique permet de gérer le grand nombre d’appareils connectés inhérent au déploiement de la 5G et à l’Internet des objets (IdO), en plus d’offrir des avantages en matière de latence et de bande passante.  
• Cette convergence des réseaux RAN et Cœur va imposer aux opérateurs d’exploiter de nouvelles approches dans le cadre des tests et de la validation des réseaux.  

NFV et 5G
La virtualisation de la fonction réseau (Network function virtualization, NFV) découple les logiciels des équipements physiques en remplaçant différentes fonctions réseau, telles que les pare-feu, les répartiteurs de charge et les routeurs, par des instances virtualisées qui s’exécutent en tant que logiciels. Il est ainsi inutile d’investir dans de nombreuses pièces d’équipement onéreuses et cela peut même accélérer les temps d’installation et permettre ainsi au client de bénéficier plus rapidement de services générateurs de revenus.   

La NFV contribue à l’écosystème 5G en virtualisant des dispositifs au sein du réseau 5G. Cela inclut la technologie de découpage réseau en tranche (Network Slicing), laquelle permet à de multiples réseaux virtualisés de fonctionner simultanément. La NFV répond à d’autres défis propres à la 5G via un traitement informatique, un stockage et des ressources réseau virtualisés qui sont personnalisés en fonction des applications et des catégories de clients.   

Architecture RAN 5G
Le concept de NFV s’applique aux réseaux RAN via la désagrégation de réseau promue par des alliances telles que l’O-RAN. L’architecture Open RAN facilite le déploiement de nouvelles caractéristiques de réseaux d’accès sans fil (RAN) et de technologies évolutives en favorisant l’utilisation d’interfaces ouvertes et de pratiques de développement open source. Cette évolution améliore la flexibilité et crée de nouvelles opportunités concurrentielles.  

L’ALLIANCE O-RAN vise à permettre un déploiement multifournisseurs avec un équipement standard afin d’atteindre une interopérabilité améliorée. La désagrégation de réseau permet également de virtualiser davantage de composants du réseau, ce qui fournit les moyens nécessaires pour faire évoluer et améliorer l’expérience utilisateur rapidement, à mesure que s’accroît la capacité. La virtualisation des réseaux RAN est essentielle pour contrôler les coûts en matière d’équipement et de logiciels dans l’écosystème en plein essor des applications d’Internet des objets (IdO).  

eCPRI
La désagrégation de réseau associée au découpage fonctionnel offre aussi d’autres formes d’économies, notamment avec l’introduction de nouvelles interfaces telles que l’eCPRI. Les interfaces RF ne sont pas économiques. Lorsque vous testez un grand nombre de porteuses 5G, les coûts de RF sont rapidement multipliés. L’interface CPRI, développée à l’origine pour la 4G, était de format propriétaire dans de nombreux cas, ce qui constituait un problème pour les opérateurs. Les interfaces eCPRI offrent une solution plus efficace, car un nombre réduit d’interfaces peut être utilisé pour tester de multiples porteuses 5G. L’eCPRI a été conçue comme une interface standard pour des éléments de fronthaul O-RAN 5G tels que les DU. 

Découpage réseau en tranche (Network Slicing)
Le découpage réseau en tranche (Network Slicing) constitue un élément clé permettant d’exploiter pleinement le potentiel de l’architecture 5G.

Cette technologie apporte une dimension supplémentaire au domaine de la NFV en permettant à de multiples réseaux logiques de fonctionner simultanément sur une infrastructure de réseau physique partagée. Cette capacité soutient l’architecture 5G en créant des réseaux de bout en bout virtuels qui comprennent des fonctions de mise en réseau et de stockage.   

• Les opérateurs peuvent ainsi gérer efficacement plusieurs utilisations de la 5G avec des demandes en matière de débits, latence et disponibilité différentes en divisant les ressources réseau entre de nombreux utilisateurs, ou « locataires » (« tenants »). 
• Le découpage réseau en tranche (Network Slicing) s’avère extrêmement utile pour les applications telles que l’Internet des objets (IdO) pour lesquelles le nombre d’utilisateurs peut être très élevé alors que la demande générale en bande passante reste faible.  
• Chaque verticale 5G aura ses propres exigences. C’est pourquoi il est important de tenir compte du découpage réseau en tranche (Network Slicing) dans la conception de l’architecture réseau 5G.  
• Les coûts opérationnels, la gestion des ressources et la flexibilité des configurations de réseau peuvent être optimisés grâce au niveau de personnalisation autorisé par le découpage réseau en tranche (Network Slicing).  
• De plus, le découpage réseau en tranche (Network Slicing) permet d’effectuer des essais plus rapides pour les nouveaux services potentiels de la 5G, tout en réduisant le délai de mise sur le marché.  

Beamforming
Le beamforming est une autre technologie révolutionnaire essentielle au succès de la 5G. Les stations de base conventionnelles transmettent des signaux dans de multiples directions, sans tenir compte de l’emplacement des utilisateurs ni des appareils ciblés. En utilisant des matrices MIMO (entrées multiples, sorties multiples) munies de dizaines de petites antennes combinées en une formation unique, il est possible d’utiliser des algorithmes de traitement des signaux pour déterminer le chemin de transmission le plus efficace vers chaque utilisateur. Les paquets individuels peuvent être envoyés dans de multiples directions, puis orchestrés pour atteindre l’utilisateur final selon une séquence prédéterminée.    

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Comme la transmission de données de 5G occupe l’onde millimétrique, la perte de propagation en espace libre (proportionnelle à la taille plus petite de l’antenne) et la perte par diffraction (inhérente aux fréquences plus hautes et à l’absence de pénétration des murs) sont toutes deux beaucoup plus élevées. D’un autre côté, la taille réduite de l’antenne permet à des matrices beaucoup plus grandes d’occuper le même espace physique. Avec chacune de ces petites antennes ajustant ou réaffectant potentiellement la direction du beam (faisceau directif) plusieurs fois par milliseconde, un beamforming massif capable de répondre aux défis posés par la bande passante 5G devient alors plus réalisable. Et avec une plus grande densité d’antennes dans un espace physique similaire, des beams (faisceaux directifs) plus fins peuvent être obtenus avec le MIMO massif (Massive MIMO), garantissant un haut débit associé à un suivi plus efficace des utilisateurs.  

Architecture du cœur 5G

L’architecture du cœur 5G est au centre de la nouvelle spécification 5G et permet de répondre aux exigences de débit plus élevé que la 5G doit pouvoir prendre en charge. Le nouveau cœur 5G, tel que défini par la norme 3GPP, utilise une architecture des services (SBA) qui couvre toutes les fonctions et interactions de la 5G, y compris l’authentification, la sécurité, la gestion de sessions et l’agrégation du trafic en provenance des appareils terminaux. Le cœur 5G met en avant la NFV, avec des fonctions logicielles virtualisées pouvant être déployées en utilisant l’infrastructure MEC essentielle aux principes architecturaux de la 5G.  

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Différences par rapport à l’architecture 4G
Les changements au niveau du cœur font partie des innombrables modifications de l’architecture qui accompagnent le passage de la 4G à la 5G, dont la migration vers l’onde millimétrique, le MIMO massif (Massive MIMO), le découpage réseau en tranche (Network Slicing) et, globalement, tous les autres éléments de l’écosystème si divers de la 5G. Le cœur évolué en mode paquets (Evolved Packet Core, EPC) de la 4G est très différent du cœur 5G, lequel exploite la virtualisation et la conception logicielle native en cloud à des niveaux jamais atteints auparavant.  

D’autres changements différencient le cœur 5G de celui de la 4G. Ainsi, la fonction de plan d’utilisateur (User Plane Function, UPF) découple le contrôle de la passerelle de paquets des fonctions de plan d’utilisateur, alors que la fonction de gestion de l’accès et de la mobilité (Access and Mobility Management, AMF) sépare les fonctions de gestion des sessions des tâches de gestion de la connexion et de la mobilité.  

Options d’architectures 5G
Combler l’écart entre la 4G et la 5G exige une approche à étapes incrémentielles, en suivant un plan extrêmement bien organisé. La transition graduelle d’une option d’architecture 5G en mode non autonome (NSA) vers une option en mode autonome (SA) illustre parfaitement ce changement. La norme non autonome (NSA) de la 5G a été finalisée fin 2017 et utilise les réseaux d’accès sans fil (RAN) LTE et de cœur existants comme base, en y ajoutant une porteuse 5G (5G Component Carrier). Malgré sa dépendance envers l’architecture 4G, le mode non autonome augmente la bande passante en puisant dans les fréquences d’onde millimétrique.  

Le mode 5G autonome est en fait un déploiement de la 5G à partir de zéro, avec la nouvelle architecture de cœur et le déploiement complet de tous les équipements, caractéristiques et fonctionnalités de la 5G. Tandis que le mode non autonome fait graduellement place aux nouveaux déploiements d’architectures de réseaux mobiles de la 5G, une préparation et une mise en service soigneuses permettront de rendre cette transition harmonieuse pour l’utilisateur.  

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Adoption de l’architecture géographique

L’infrastructure inhérente au déploiement de la 5G autonome (standalone, SA) exige une étape mondiale dans l’intégration de la 5G pour diverses zones géographiques. Les régions à la pointe de la technologie, telles que l’Amérique du Nord, l’Asie et l’Europe, intensifient rapidement leurs déploiements, suivies de près par d’autres pays dans le monde. Près de 200 réseaux 5G sont déjà en service dans le monde, avec un nombre de connexions 5G mobiles qui devrait dépasser les deux milliards d’ici 2025. 

La proximité des pays voisins et la forte multiplication des porteuses ont rendu ces déploiements particulièrement ardus en Europe. Bien que l’adoption soit à la traîne dans d’autres régions, la Commission européenne a récemment mis en place une politique nommée Boussole numérique qui promeut un accès à la 5G dans toutes les zones habitées d’ici 2030.  

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Les nations industrialisées telles que la Chine, le Japon et l’Inde investissent massivement dans les implications pratiques et financières de la conversion à la 5G. Les nouvelles antennes, technologies logicielles et équipements d’infrastructure sont une aubaine pour les marchés de la conception et de la production électroniques et logicielles dans le monde. C’est pourquoi l’accent est mis sur un déploiement rapide. En Inde, les quatre plus grands fournisseurs de télécommunications déploient des services de 5G suite à une mise aux enchères de spectre en août 2022 et la Chine devrait avoir installé 3,64 millions de stations de base 5G d’ici 2025. 

Sécurité de l’architecture 5G

La mise en service de la 5G engendre d’incroyables bénéfices en matière de performance et de diversité des applications grâce à l’utilisation généralisée des ressources basées sur le cloud, de la virtualisation, du découpage réseau en tranche (Network Slicing) et d’autres technologies émergentes. Ces changements s’accompagnent cependant de nouveaux risques de sécurité et font apparaître des « surfaces d’attaque » supplémentaires dans l’architecture de sécurité de la 5G. 

• La 5G se construit sur des pratiques de sécurité issues des générations de technologies mobiles précédentes. Pourtant, le modèle de « confiance » s’est considérablement élargi et un plus grand nombre de parties prenantes sont désormais impliquées dans le processus de fourniture de services.   
• L’Internet des objets (IdO) et la multiplication des utilisateurs engendrent un nombre exponentiellement plus élevé de terminaux et nombre de ces entrées de trafic ne sont plus supervisées par l’homme.  
• Les fonctionnalités de sécurité améliorées de la 5G décrites par les normes 3GPP incluent l’authentification unifiée , pour découpler l’authentification depuis les points d’accès, et les schémas de chiffrement basés sur des clés publiques, afin de réduire le risque d’exploitation des métadonnées. 
• À mesure que les nœuds de performance critiques de la 5G deviennent de plus en plus virtualisés, la surveillance continue et l’évaluation de l’efficacité de la sécurité deviennent des considérations essentielles.  
• Les bonnes pratiques incluent un contrôle de bout en bout de la sécurité réseau 5G sur l’ensemble de l’architecture, des équipements et des applications du système.