Les solutions de réseaux LTE hybrides avec un backhaul satellite

Dans un souci de convergence, le projet SAE a défini une pluralité de moyens de raccordement des réseaux d’accès en fonction de leur nature (LTE, technologie 3GPP, technologie 3GPP2, etc.). Ce large panel nous offre de nombreuses possibilités d’architecture pour intégrer un réseau d’accès LTE avec un backhaul satellite. Un des critères importants pour le choix de l’architecture réside dans les possibilités d’optimisation qui ne se traduiront pas par un changement du niveau d'impact. Les différents niveaux d’optimisations sont décrits dans le Tableau 6, alors que le Tableau 7 définit la classification des niveaux d'impact. L’architecture choisie répondra à ces deux critères. En fonction du niveau de modification requis pour optimiser les mécanismes du handover, celle qui induit le minimum d’impact sur les spécifications sera préconisée, puisque la modification des spécifications implique des coûts importants.

Niveau d’optimisation

Description

Niveau 0 Aucune optimisation n’est possible Niveau 1 Adaptation des paramètres des spécifications Niveau 2 Modification des mécanismes sur le segment satellite

Niveau 3 Modification des mécanismes inter-segments sur les deux segments

Tableau 6 Description des différents niveaux du critère d’optimisation

Niveau de l’impact

Description

Niveau 0 Aucun impact

Niveau 1 Impact sur la signalisation sur le segment satellite Niveau 2 Impact sur la signalisation sur les interfaces inter-segments Niveau 3 Impact sur les spécifications du segment terrestre

Tableau 7 Description des différents niveaux du critère d’impact sur la signalisation

2.3.1 Réseau LTE hybride traditionnel

L’utilisation de l’architecture traditionnelle du réseau LTE est la solution la plus simple (Figure 23). Cette simplicité induit une limitation quant aux possibilités d’optimisations des handovers. Deux variantes d’architectures sont possibles. La première se résume à intégrer le réseau d’accès au réseau de cœur terrestre, au travers d’un backhaul satellite. La MME et la SGW qui sont associées aux eNB satellite peuvent aussi servir pour des eNB terrestres. Certains mécanismes ne peuvent donc pas être optimisés et différenciés de ceux du backhaul terrestre. Dans ce cas, des modifications de la signalisation ne sont pas autorisées, car elles en induiraient sur la spécification du système LTE, y compris sur le segment terrestre. Par conéquent, les possibilités d’optimisation ne dépassent pas le niveau 1 ; en revanche l'impact est nul sur la spécification.

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Figure 23 Architecture hybride LTE traditionnelle

La deuxième variante consiste à dédier une partie du réseau de cœur au segment satellite. Ainsi, une MME et une SGW sont réservées aux eNB reliés par un backhaul satellite. Cette architecture offre une plus grande flexibilité d’optimisation, car les entités et les interfaces directement en relation avec le backhaul satellite sont isolées du segment terrestre. Ainsi, les protocoles et les mécanismes du segment satellite peuvent être optimisés. Le niveau d’optimisation atteint est le niveau 2 avec une modification de la signalisation de niveau 1. En outre, cette architecture procure l’avantage d’intégrer les entités dédiées au segment satellite au plus près de la passerelle satellite. Elle offre donc la possibilité de co-localiser ces équipements.

2.3.2 Architecture avec un autre réseau d’accès 3GPP

Pour assurer la compatibilité avec les autres standards du 3GPP, les spécifications définissent de nouvelles interfaces, entre les entités du réseau de cœur de l’EPC et celles des anciennes générations. Les handovers sont admis entre les différentes technologies d’accès et ont été dénommés handovers inter-RAT (inter Radio Acces Network). La signalisation de ces handovers est adaptée pour chaque technologie d’accès. L’intérêt de considérer le segment satellite comme un autre réseau du 3GPP provient de la création de nouvelles interfaces spécifiques entre le segment terrestre et le segment satellite (Figure 24). Dans ce cas, le segment satellite se compose d’eNB, auxquels s’ajoutent une ou plusieurs MME ainsi qu’une ou plusieurs SGW qui lui sont spécifiquement dédiées. En conséquence, cette architecture possède les mêmes avantages que l’architecture traditionnelle avec des entités dédiées. Les nouvelles interfaces entre le segment terrestre et satellite et, en particulier, l’interface entre une MME du segment satellite et une MME du segment terrestre, que nous nommerons S10-Sat, permettent de modifier la signalisation des handovers inter- segments (Niveau 3), tout en restreignant l’impact aux mécanismes inter-segments (Niveau 2). De manière évidente, la définition de ces interfaces sera très similaire à celle de l’interface de l’architecture traditionnelle et seuls certains mécanismes seront légèrement affectés. Ainsi, l’interface S5-SAT entre la SGW-Sat et la PGW ne sera pas du tout modifiée.

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Figure 24 Architecture avec un autre réseau 3GPP

2.3.3 Architecture avec un Home eNB

Les Home-eNB définis par le 3GPP sont des stations de base simplifiées. Leur backhaul est mis en œuvre par l’intermédiaire d’un raccordement large bande de type fibre et ADSL. Ils possèdent une couverture peu étendue, égale à quelques dizaines de mètres. Deux raisons sont avancées pour le déploiement de ces Home-eNB (HeNB). La première découle de la limitation de la couverture dans les zones urbaines. En effet, un Home-eNB permet d’améliorer le signal radio à l’intérieur des bâtiments où la force du signal des macro-eNB reste limitée. Deuxièmement, la multiplication de ces Home-eNB augmente le nombre de cellules et, dans le même temps, la capacité totale du réseau d’accès. Ainsi, l’Home-eNB apporte une solution pour compenser la rareté du spectre fréquentiel dans le déploiement de LTE.

Cette architecture est intéressante, puisque les procédures pour le HeNB prennent en compte le fait que le backhaul n'est pas réalisé par une liaison dédiée au réseau mobile. En outre, dans cette architecture, les Home-eNB sont gérés dans le réseau de cœur par une unique entité, appelée Home- eNB GateWay (HeNB-GW) (Figure 12Figure 25). Cette solution permet d’isoler le segment satellite sans affecter les entités du réseau de cœur, MME et SGW, tout en autorisant la modification de la signalisation dans le segment satellite (niveau 2). Un autre aspect intéressant des Home-eNB réside dans des mécanismes d’auto-configuration, définis pour obtenir des fonctionnalités de Plug-and-

Play, qui peuvent être réutilisés dans notre scénario. Cependant, les scénarios d'utilisation de cette

architecture sont peu nombreux, en raison de sa faible couverture à la fois géographique et en termes d’utilisateurs. De surcroît, les modifications pour permettre une utilisation optimisée de cette architecture devront être financièrement à la charge de l'utilisateur et non de l'opérateur, puisque l'HeNB est localisé chez lui.

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Figure 25 Architecture avec un Home eNB

2.3.4 Architecture avec un réseau extérieur

Le 3GPP a aussi développé des interfaces pour connecter des réseaux extérieurs au réseau de cœur LTE. Deux méthodes sont spécifiées. Premièrement, si la sécurité du réseau extérieur est considérée comme suffisante et comparable à celle assurée par LTE, ce réseau est directement raccordé par l’intermédiaire du PGW. Ce sera par exemple le cas pour un réseau WiMAX mobile. Si ce n’est pas le cas, ce réseau est connecté au PGW grâce à une entité supplémentaire qui assure le niveau de sécurité nécessaire (The 3rd Generation Partnership Project (3GPP), September 2012). Dans ce cas de figure, la gestion de la mobilité est sommaire et les spécifications ne prévoient que des handovers non-optimisés. Elle ne repose sur aucune technologie particulière et sur l’hypothèse que l’UE est multimode. La marge de modification se révèle donc infime.

2.3.5 Les choix d’architectures

Le Tableau 8 récapitule les différentes caractéristiques des architectures présentées. L’architecture traditionnelle, avec des entités qui ne sont pas dédiées au segment satellite, ainsi que l’architecture dédiée au raccordement des réseaux non-3GPP n’offrent que trop peu de possibilités d’optimisation. La solution, qui consiste à considérer les eNB satellite comme des Home-eNB, est évincée en raison de la faible capacité et de la faible portée de ces stations de base. Par conséquent, deux choix sont retenus, l’architecture traditionnelle LTE avec une MME et une SGW dédiées au segment satellite, et l’architecture où le segment satellite est considéré comme un autre réseau d’accès 3GPP. La première permet d’optimiser les procédures sur le segment satellite. Tant que ce type d’optimisation suffit, l’architecture traditionnelle sera adoptée. Dans le cas contraire, on s’orientera vers l’architecture inter-RAT.

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Architectures

Optimisation

Impact

Commentaires

Traditionnelle

Entités non dédiées 1 0 Optimisation limitée Traditionnelle

Entités dédiées 2 1 Vraie séparation des segments satellite et terrestre dans l’EPC inter-RAT 3GPP 3 2 Création de nouvelles interfaces inter-

segments

Home eNB 2 1 Faible capacité et couverture Réseaux extérieurs 0 0 Aucune optimisation liée à la mobilité

Tableau 8 Récapitulatif des architectures potentielles