La 5G est la nouvelle cinquième génération de technologie mobile. Comme les générations mobiles précédentes, dont la 3G et la 4G, la 5G utilise le spectre radio. Le spectre radio prend en charge tous les services sans fil utilisés quotidiennement par les particuliers et les entreprises, y compris passer un appel sur un téléphone portable, écouter la radio ou se connecter en ligne en utilisant le Wi-Fi.
Avec la 5G, les données transmises via des connexions haut débit sans fil peuvent voyager à des vitesses de plusieurs gigabits pouvant atteindre 20 gigabits par seconde (Gbps) selon certaines estimations. Ces vitesses dépassent les vitesses du réseau filaire et offrent une latence de 1 milliseconde (ms) ou moins, ce qui est utile pour les applications qui nécessitent un retour en temps réel. La 5G permettra une forte augmentation de la quantité de données transmises sur les systèmes sans fil en raison d’une bande passante plus disponible et d’une technologie d’antenne avancée.
Aujourd’hui, la communication cellulaire de cinquième génération (5G) est largement considérerée comme la technologie sans fil clé pour faire avancer l’industrie 4.0 ou l’Internet industriel des objets (IIoT). Certaines sources suggèrent même que la 5G sera essentielle pour rendre les installations IoT grand public parce qu’elle facilite la connexion d’un nombre impressionnant d’appareils, où que ces appareils se trouvent.
Lorsque nous lisons le terme «architecture», nous pensons souvent aux bâtiments. Mais ce terme peut également s’appliquer à la façon dont un réseau est conçu. Comprendre l’architecture d’un réseau 5G, c’est comprendre en quoi elle est différente des générations de réseaux cellulaires précédentes.
Dans cette section vous allez découvrir comment fonctionne l’architecture de réseau 5G et pourquoi elle est importante pour l’avenir de la technologie.
Le réseau cellulaire fournit une connectivité sans fil aux appareils en déplacement. Ces appareils, appelés User Equipment (UE), correspondaient traditionnellement aux smartphones et tablettes, mais comprendront de plus en plus des voitures, des drones, des machines industrielles et agricoles, des robots, des dispositifs médicaux, etc.
En examinant de plus près la figure 1 ci-dessus, le réseau 5G se compose de deux sous-systèmes principaux : le réseau d’accès radio (RAN : radio access network) et le réseau de base 5G (5G Core Network). Le RAN gère le spectre radio en s’assurant qu’il est utilisé efficacement et répond aux exigences de qualité de service de chaque utilisateur. Il correspond à un ensemble distribué de stations de base. Comme indiqué ci-dessus, en 5G, ceux-ci sont nommés gNB . (Le g signifie « prochaine génération ».)
Le 5G Core Network est un ensemble de fonctionnalités qui sert à plusieurs fins :
Fournit une connectivité Internet (IP) pour les utilisateurs.
Garantit que cette connectivité répond aux exigences de QoS promises.
Suit la mobilité des utilisateurs pour assurer un service ininterrompu.
Suit l’utilisation des abonnés pour la facturation.
Avant de détailler les deux sous-systèmes d’un réseau 5G, la figure 2 redessine les composants de la figure 1 pour mettre en évidence deux distinctions importantes.
La première est qu’une station de base a une composante analogique (représentée par une antenne) et une composante numérique (représentée par une paire de processeurs). La seconde est que le 5G Core Network est divisé en un plan de contrôle et un plan utilisateur, ce qui est similaire à la division du plan de contrôle/données que reconnaîtrait une personne familière avec Internet.
Le réseau d’accès radio se compose de divers types d’installations, notamment des small cells (stations de base), des tours, des pylônes et des systèmes dédiés à l’intérieur et à la maison qui connectent les utilisateurs mobiles et les appareils sans fil au réseau central principal.
Les stations de base ont une caractéristique majeure dans les réseaux 5G, en particulier aux nouvelles fréquences d’ondes millimétriques (mmWave) où la plage de connexion est très courte. Pour fournir une connexion continue, les stations de base seront réparties en grappes en fonction de l’endroit où les utilisateurs ont besoin d’une connexion.
Premièrement, chaque station de base établit le canal sans fil pour l’UE d’un abonné lors de la mise sous tension ou lors du transfert lorsque l’UE est actif. Ce canal sera libéré lorsque l’UE reste inactif pendant une période de temps prédéterminée. En utilisant la terminologie 3GPP, ce canal sans fil est censé fournir un service support . Le terme « support » a été historiquement utilisé dans les télécommunications pour désigner un canal de données, par opposition à un canal qui transporte des informations de signalisation.
Deuxièmement, chaque station de base établit une connectivité « 3GPP Plan de contrôle » entre l’UE et le composant 5G Core Network (Plan de contrôle) correspondant, et transfère le trafic de signalisation entre les deux. Ce trafic de signalisation permet l’authentification, l’enregistrement et le suivi de la mobilité de l’UE.
Troisièmement, pour chaque UE actif, la station de base établit un ou plusieurs tunnels entre le composant 5G Core Network (Plan utilisateur) correspondant.
Quatrièmement, la station de base transfère à la fois les paquets de plan de contrôle et de plan utilisateur entre le 5G Core Network et l’UE. Ces paquets sont tunnelisés sur SCTP/IP et GTP/UDP/IP, respectivement. SCTP (Stream Control Transport Protocol) est une alternative de transport fiable à TCP, conçue pour transporter des informations de signalisation (contrôle) pour les services de téléphonie. GTP (General Packet Radio Service) est un protocole de tunneling spécifique au 3GPP conçu pour fonctionner sur UDP.
En passant, il convient de noter que la connectivité entre le RAN et le 5G Core Network est basée sur IP. Cela a été présenté comme l’un des principaux changements entre la 3G et la 4G. Avant la 4G, les composants internes du réseau cellulaire étaient basés sur des circuits, ce qui n’est pas surprenant étant donné ses origines en tant que réseau vocal.
Cinquièmement, chaque station de base coordonne les transferts de l’UE avec les stations de base voisines, en utilisant des liaisons directes de station à station. Comme illustrée dans la figure précédente, ces liens sont utilisés pour transférer les paquets du plan de contrôle (SCTP sur IP) et du plan utilisateur (GTP sur UDP/IP).
Sixièmement, les stations de base coordonnent la transmission multipoint sans fil vers un UE à partir de plusieurs stations de base, qui peuvent ou non faire partie d’un transfert UE d’une station de base à une autre.
Le principal point à retenir à ce niveau est que la station de base peut être considérée comme un transitaire spécialisé. Dans le sens Internet vers UE, il fragmente les paquets IP sortants en segments de couche physique et planifie leur transmission sur le spectre radio disponible, et dans le sens UE vers Internet, il assemble les segments de couche physique en paquets IP et les transmet (sur un tunnel GTP/UDP/IP) vers le plan utilisateur en amont du 5G Core Network. En outre, sur la base des observations de la qualité du canal sans fil et des politiques par abonné, il décide s’il faut (A) transférer les paquets sortants directement vers l’UE, (B) transférer indirectement les paquets vers l’UE via une station de base voisine, ou (C) utiliser plusieurs chemins pour atteindre l’UE.
