Le cœur de réseau 5GC, pierre angulaire de la 5G Stand Alone

Si la 5G promet de révolutionner bien des domaines, elle tarde à libérer le potentiel espéré. Pour introduire très vite cette technologie sur le marché, nombre d’opérateurs ont choisi de la déployer avec une architecture 5G NSA (non standalone). Mais cette approche limite la mise en œuvre des nouvelles promesses technologiques : vitesse, latence, sécurité, slicing.

Le cœur de réseau 5G, appelé 5GC (5G Core), modifie radicalement l’organisation du noyau d’un réseau mobile et ouvre des enjeux importants en termes de stratégie de déploiement. Quant à la virtualisation des fonctions réseaux (NFV), elle promet une transformation structurelle et organisationnelle entre opérateurs et intégrateurs.

Les spécificités du cœur de réseau mobile 5GC

Un réseau mobile se compose de 3 éléments : le réseau d’accès radio, le cœur de réseau permettant de router les appels à destination, les systèmes d’information qui gèrent l’exploitation du réseau et la gestion des clients (factures, abonnements, …).

Le cœur gère plusieurs fonctions : les accès et leur sécurité, l’authentification des abonnés, l’acheminement des appels, les services aux abonnés, le contrôle de la communication et de sa continuité pendant la durée de l’appel si l’usager se déplace, la qualité de service.

La particularité du cœur de réseau 5G (5GC) est sa virtualisation avancée qui permet de dissocier les applications logicielles de télécommunications des infrastructures matérielles qui les hébergent. Ainsi, le réseau peut évoluer et s’adapter.

L’architecture 5GC présente des analogies fonctionnelles avec l’architecture EPC (Evolved Packet Core) du réseau 4G. L’évolution principale réside dans le découpage des fonctions réseau (Network Function : NF) dans un environnement agile.

Parmi les nouvelles fonctions de cette architecture, on trouve :

• La fonction de catalogue NRF (Repository Function) qui agit comme une source centralisée d'informations, aidant à simplifier la gestion du réseau, à améliorer sa visibilité et à prendre en charge le déploiement dynamique de nouveaux services et applications.
• La fonction d’exposition de service NEF (Network exposure function) qui offre des services de découverte des différentes fonctions mobiles, d’enregistrement et d’exposition réseau.

INFOGRAPHIE

Les principaux nouveaux concepts des réseaux 5GC

L'orchestration 5G est un processus de contrôle et de gestion des ressources du réseau 5G à la fois coté accès radio (NR) et coté transport. Dans un réseau 5GC, elle gère et coordonne l'allocation des ressources du réseau : bande passante, puissance et spectre. Elle comprend la gestion des services, celle de la sécurité et le découpage du réseau. Elle permet une fourniture efficace et efficiente des services 5G aux utilisateurs.

Un exemple : l'opérateur d’un groupe de voitures connectées pourrait utiliser l'orchestration pour créer un slice de réseau spécifiquement dédié aux voitures connectées avec des caractéristiques adaptées (faible latence, bande passante élevée). Le système d'orchestration gèrerait l'allocation des ressources du réseau (points d'accès radio, réseau de transport) pour s'assurer que la tranche de réseau respecte les accords de niveau de service (SLA) requis.

L’architecture basée sur les services (SBA) définit un ensemble de services, chacun ayant sa propre interface combinable selon les besoins (ajout ou suppression d’un service) ce qui lui donne de la flexibilité.

D’un point de vue fonctionnel, l'architecture 5GC se divise en trois parties :

• Le plan de contrôle gère la signalisation et le contrôle du réseau,
• Le plan usager gère le transfert de données utiles dans le réseau,
• Le plan de service permet de créer de nouveaux services et fonctionnalités.

Il est possible de séparer les fonctions de contrôle et d’usager, ce qui facilite la création de nouveaux services et l'optimisation des services existants.

La norme 3GPP a introduit une architecture sans état « stateless architecture » pour une meilleure optimisation du réseau, plus de fiabilité et de résilience. Dans cette conception de réseau, les fonctions réseau ne conservent aucune information d'état pour les sessions individuelles et s'appuient plutôt sur les informations du plan de contrôle pour prendre des décisions. Cela permet un traitement et une évolutivité plus rapides, ainsi qu'une latence réseau réduite et une fiabilité améliorée.

Le slicing réseau est la capacité d'un réseau 5G à diviser ou découper le réseau en plusieurs réseaux virtuels, chacun d’eux disposant de ses propres ressources et caractéristiques. Ces slices réseaux appelés tranches peuvent être adaptés aux besoins spécifiques de chaque cas d’usage. Par exemple, un slice pour un usage de véhicules autonomes aura des exigences plus élevées en termes de performance, de sécurité et de fiabilité qu’un slice pour le haut débit mobile grand public. Un autre slice pourrait être créé pour les communications critiques avec de très faible latence et une fiabilité élevée. Le slicing prend en charge de nombreux services.

Le passage en architecture 5 SA avec cœur de réseau 5G

Une architecture 5G NSA combine un accès radio 4G (LTE) et un accès radio 5G NR (New Radio) contrôlés par un réseau cœur 4G EPC (Evolved Packet Core). Un réseau 5G SA est totalement distinct du réseau 4G. Il est constitué d’un accès radio 5G NR et d’un réseau cœur 5GC. Les nouvelles antennes 5G (gNodeB) viennent s’accoster au cœur de réseau EPC ou 5GC selon le mode NSA/SA choisi.

Les standards 3GPP (3rd Generation Partnership Project) définissent 2 options pour le déploiement de la solution 5G SA :

• Option 5 - 5G SA- 5GC connecté à LTE : le réseau cœur 5GC est déployé mais continue à utiliser un réseau d’accès 4G LTE mis à jour. La plupart des nouveaux services de la 5G nécessitant un accès NR, cette option semble peu probable.
• Option 2 - 5G SA- 5GC connecté à NR : cette configuration full 5G SA permet aux opérateurs d’atteindre le plein potentiel de la 5G NR. Ce scénario est adapté aux zones sans réseau 4G.

INFOGRAPHIE

Une transformation progressive et incrémentale

La migration de la 5G NSA vers la 5G SA nécessite la mise à niveau ou le remplacement de l'infrastructure réseau existante, ainsi que l’introduction de nouvelles fonctions logicielles et de nouveaux protocoles dans le réseau. Parfois complexe et longue, cette migration est néanmoins une opportunité d’introduire de nouveaux services sur un réseau 5G plus performant et sécurisé.

La migration d'EPC (Evolved Packet Core) vers 5GC (5G Core) consiste à introduire très progressivement des fonctionnalités de la 5GC tout en maintenant des services EPC existants. La plupart des opérateurs ayant déployé leur réseau 5G, l’ont fait avec une architecture 5G NSA constituée d’un nouveau accès RAN 5G et d’un cœur de réseau EPC (4G). D’autres ont franchi le pas de la 5G SA en déployant un cœur de réseau 5GC, et lancé des services 5G ou sont en phase de test avec leurs fournisseurs.

Avec la 5G SA- 5GC l'opérateur tire pleinement parti du haut débit mobile amélioré (eMBB) de la 5G, des communications ultra-fiables à faible latence (URLLC) et des capacités de communications massives de type machine à machine (mMTC). Par ailleurs, le slicing offre la possibilité de créer des réseaux virtuels avec différentes caractéristiques et des Services Level Agreement (SLA) avec un haut niveau de disponibilité permettant de garantir la continuité du service pour les clients.

Cette transformation est la condition indispensable pour offrir l’ensemble des promesses de la 5G et permettre le développement à l’échelle des nouveaux modèles d’affaires. Il faudra s’assurer tout au long du processus de migration, que les services existants 4G basés sur EPC ne seront pas impactés. La 5GC est conçue sur un design cloud native permettant d’offrir une solution agile, performante et modulaire.