Architecture 5G

L’objectif principal des précédentes générations de réseaux mobiles était simple : offrir des services de données mobiles rapides et fiables aux utilisateurs de réseaux. La 5G a élargi cette portée pour offrir un large éventail de services sans fil, fournis à l’utilisateur final à travers de multiples plateformes d’accès et via des réseaux à plusieurs couches.

La 5G constitue en réalité un cadre dynamique, cohérent et flexible pour de multiples technologies avancées prenant en charge une grande variété d’applications. La 5G utilise une architecture plus intelligente, avec des réseaux d’accès sans fil (RAN) qui ne sont plus soumis aux contraintes de proximité avec la station de base ou d’infrastructure complexe. La 5G ouvre la voie vers un réseau d’accès sans fil (RAN) désagrégé, flexible et virtuel avec de nouvelles interfaces créant des points d’accès aux données supplémentaires.

4G & 5G Network Architecture
 

Architecture 5G 3GPP 

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

Les services sont fournis par le biais d’un cadre commun aux fonctions de réseaux ayant l’autorisation d’utiliser ces services. La modularité, la capacité de réutilisation et l’autonomie des fonctions réseau constituent des considérations supplémentaires à prendre en compte pour une 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 sont désormais 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 sont elles aussi réaffectées à la 5G. La diversité des fréquences employées peut être adaptée à des applications uniques étant donné que les hautes fréquences se caractérisent par une bande passante plus élevée, bien que d’une portée plus courte. Les fréquences d’onde millimétrique sont idéales pour les zones densément peuplées, mais inefficaces pour les cellules larges. Dans ces bandes de hautes et basses 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 représente une évolution qui transfère les applications des datacenters centralisés vers la périphérie du réseau et, donc, plus près des utilisateurs finaux et de leurs appareils. Essentiellement, cela crée un raccourci pour la transmission de contenu entre l’utilisateur et l’hôte sur 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. Cette convergence des réseaux RAN et Cœurs va imposer aux opérateurs d’exploiter de nouvelles approches dans le cadre des tests et de la validation des réseaux.

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. En plus des avantages propres à l’architecture MEC en matière de latence et de bande passante, la distribution de la capacité informatique permettra de gérer le grand nombre d’appareils connectés inhérent au déploiement de la 5G et à l’essor de l’Internet des objets (IdO ou IoT).  

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’infrastructure 5G en virtualisant des dispositifs au sein du réseau 5G. Cela inclut la technologie de découpage du réseau en tranche (network slicing), laquelle permet à de multiples réseaux virtualisés de fonctionner simultanément. La NFV peut répondre 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’étend au réseau d’accès sans fil (RAN) via, par exemple, la désagrégation de réseau encouragée par des alliances comme O-RAN. Cela engendre une certaine flexibilité et crée de nouvelles opportunités concurrentielles, fournit des interfaces ouvertes et permet le développement de l’open source pour faciliter finalement le déploiement de nouvelles fonctionnalités et technologies évolutives. L’alliance O-RAN vise à permettre un déploiement multifournisseurs avec un équipement standard afin d’atteindre une interopérabilité simplifiée et plus rapide. La désagrégation de réseau permet également de virtualiser des composants du réseau, ce qui fournit les moyens nécessaires pour faire évoluer et améliorer l’expérience utilisateur à mesure que s’accroît la capacité.  Les composants de réseau d’accès sans fil (RAN) virtualisés présentent l’avantage de permettre une réduction des coûts d’équipements et de logiciels, notamment pour les applications d’Internet des objets (IdO ou IoT) pour lesquelles les appareils se comptent en millions.

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 augmentent rapidement. L’introduction des interfaces eCPRI offre une solution plus économique, car moins d’interfaces sont nécessaires pour tester de nombreuses porteuses 5G. La vocation de l’eCPRI est de constituer une interface standardisée pour la 5G, utilisée par exemple dans les interfaces de fronthaul O-RAN telles que la DU (Distributed Unit, Unité Distribuée). Contrairement à l’eCPRI, la norme CPRI a été développée pour la 4G. Cependant, dans de nombreux cas, son format propriétaire au fournisseur la rendait problématique pour les opérateurs. 

Découpage réseau en tranche (Network Slicing)
L’élément clé permettant d’exploiter pleinement le potentiel de l’architecture 5G du futur est peut-être le découpage réseau en tranche (network slicing). 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. Elle devient ainsi partie intégrante de 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, latences 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 ou IoT) 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 devient important de tenir compte du découpage réseau en tranche (network slicing) dans la conception de l’architecture réseau 5G. Désormais, les coûts, la gestion des ressources et la flexibilité des configurations des réseaux peuvent tous être optimisés grâce à ce nouveau niveau de personnalisation. De plus, le découpage réseau en tranche (network slicing) permet d’effectuer des essais plus rapidement 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 transmettaient des signaux dans de multiples directions, sans tenir compte de l’emplacement des utilisateurs ou des appareils ciblés. Grâce à des matrices MIMO (entrées multiples,  sorties multiples) munies de douzaines 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, tandis que des paquets individuels peuvent être envoyés dans de multiples directions, puis orchestrés pour atteindre l’utilisateur final selon une séquence prédéterminée. 

5G Beamforming

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 considérablement 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 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), ce qui fournit un moyen d’atteindre un haut débit associé à un suivi plus efficace des utilisateurs.

Architecture du cœur 5G

L’architecture du cœur5G 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, tels 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 fait de la NFV un élément conceptuel encore plus fondamental, avec des fonctions logicielles virtualisées pouvant être déployées en utilisant l’infrastructure MEC essentielle aux principes architecturaux de la 5G.

5G Core Architecture  


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 devra s’effectuer de façon incrémentielle, 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 radio LTE et de cœur existants comme base, en y ajoutant une porteuse 5G (5G Component Carrier). Malgré sa dépendance envers l’architecture existante, le mode non autonome va augmenter 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.

5G Architecture Options
 

Adoption de l’architecture géographique de la 5G

L’infrastructure inhérente au déploiement de la 5G autonome (standalone, SA) imposera 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, ont déjà entamé un déploiement limité, suivies de près par d’autres pays dans le monde. Au total, 55 réseaux commerciaux devraient avoir été mis en service d’ici la fin de l’année 2019. La proximité des pays voisins et la forte multiplication des porteuses vont rendre ces déploiements particulièrement ardus en Europe. Pour relever ces défis, la Commission européenne a créé le plan d’action 5G pour l’Europe afin de stimuler des progrès rapides et de fournir une feuille de route planifiant le déploiement de la 5G dans tous les pays d’Europe d’ici la fin de l’année 2020.

The State of 5G Deployments

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. L’un des plus grands fournisseurs de télécommunications en Inde a déjà mis à niveau l’intégralité de son réseau pour qu’il soit compatible avec la 5G, et China Mobile a prévu de créer 10 000 stations de base 5G d’ici 2020.

Sécurité de l’architecture 5G

5G Security

La mise en service de la 5G va engendrer 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 ou IoT) 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. 

Parmi les fonctions de sécurité améliorées de la 5G détaillées dans les normes du 3GPP figurent une authentification unifiée pour découpler l’authentification des points d’accès, des protocoles d’authentification extensibles pour prendre en charge des transactions sécurisées, des politiques de sécurité flexibles pour répondre à un plus grand nombre d’utilisations et des identificateurs permanents d’abonnés (Subscriber Permanent Identifiers, SUPI) pour garantir la confidentialité sur le réseau. 

À mesure que le déploiement de la 5G continue et que les nœuds de performance les plus importants deviennent de plus en plus virtualisés, les opérateurs devront contrôler et évaluer en permanence leur performance en matière de sécurité. Le respect des bonnes pratiques impose un contrôle de bout en bout de la sécurité réseau sur l’ensemble de l’architecture, des équipements et des applications du système.

La 5G pourra indubitablement fournir l’amélioration exponentielle du débit à laquelle les utilisateurs se sont habitués à chaque nouvelle génération de réseaux mobiles, mais la hausse du débit n’est qu’un début. Les changements attendus affecteront des marchés variés (allant du transport individuel à la production industrielle et à l’agriculture) et ils seront si importants que nombreux sont ceux qui voient déjà dans la 5G une nouvelle révolution industrielle. Au cœur de cette révolution conceptuelle se trouve une architecture 5G aux multiples facettes, avec MEC, NFV, MIMO massif (Massive MIMO) et architecture de cœur basés sur les services et alignés sur le cloud travaillant de concert pour offrir une nouvelle génération de services. Les solutions de test de la 5G conçues pour répondre à ces changements architecturaux fondamentaux constitueront les véritables tremplins de la transition à venir vers la 5G. 
 

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