Partage d'infrastructures et convergence fixe/mobile dans les réseaux 3GPP de prochaine génération

Le déploiement de la technologie cellulaire de quatrième génération a débuté par quelques projets pilotes, notamment en Suède et en Norvège, dans la première moitié de 2010. Ces réseaux offrent dans un premier temps l'accès à Internet uniquement et comptent sur les réseaux de deuxième et troisième génération existants pour le support de la téléphonie et de la messagerie texte. Ce ne sera donc qu'avec l'avènement du IP Multimedia Subsystem (IMS) que tous les services seront supportés par la nouvelle architecture basée entièrement sur IP. Les réseaux mobiles de quatrième génération promettent aux usagers des taux de transfert au-delà de 100 Mbits/s en amont, lorsque l'usager est immobile, et le support de la qualité de service permettant d'offrir des garanties de débit, délai maximum, gigue maximale et d'un taux de perte de paquets borné supérieurement. Ces réseaux supporteront efficacement les applications utilisant la géolocalisation afin d'améliorer l'expérience de l'usager. Les terminaux d'aujourd'hui offrent un éventail de technologies radio. En effet, en plus du modem cellulaire, les terminaux supportent souvent la technologie Bluetooth qui est utilisée pour connecter entre autres les dispositifs mains-libres et les écouteurs. De plus, la majorité des téléphones cellulaires sont dotés d'un accès WiFi permettant à l'usager de transférer de grands volumes de données sans engorger le réseau cellulaire. Toutefois, cet accès n'est souvent réservé qu'au réseau résidentiel de l'usager ou à celui de son lieu de travail. Enfin, une relève verticale est presque toujours manuelle et entraîne pour le mobile un changement d'adresse IP, ce qui ultimement a pour conséquence une déconnexion des sessions en cours. Depuis quelques années, une tendance se profile au sein de l'industrie qui est connue sous de nom de convergence des réseaux fixes et mobiles. Cette tendance vise à plus ou moins long terme d'offrir l'accès Internet et la téléphonie à partir d'un seul terminal pouvant se connecter à un réseau d'accès local ou au réseau cellulaire. à ce jour, très peu d'opérateurs (e.g., NTT Docomo) offrent des terminaux ayant la possibilité de changer de point d'accès. Toutefois, le point d'accès doit appartenir à l'usager ou se situe à son lieu de travail. Par ailleurs, on remarque un mouvement de convergence selon lequel différents réseaux utilisés pour les services d'urgence (tels que la police, les pompiers et ambulanciers) sont progressivement migrés (en raison de leurs coûts prohibitifs) vers un seul réseau offrant un très haut niveau de redondance et de fiabilité. Les services d'urgence démontrent des besoins en QoS similaires à ceux des particuliers sauf qu'ils nécessitent un accès prioritaire, ce qui peut entraîner la déconnexion d'un usager non-prioritaire lors d'une situation de congestion. En plus des services publics qui tentent de réduire leurs coûts d'exploitation en partageant l'accès aux réseaux commerciaux de communications, les opérateurs de ces réseaux sont aussi entrés dans une phase de réduction de coûts. Cette situation résulte du haut niveau de maturité maintenant atteint par l'industrie des communications mobiles. Par exemple, l'image de marque ou la couverture offerte par chacun d'eux ne constituent plus en soi un argument de vente suffisant pour attirer une nouvelle clientèle. Ceux-ci doivent donc se distinguer par une offre de services supérieure à celle de leur compétition. Les opérateurs ont donc entrepris de sous-traiter des opérations non-critiques de leur entreprise afin de se concentrer sur l'aspect le plus profitable de cette dernière. Parallèlement à cette tendance, les opérateurs ont commencé à partager une portion de plus en plus importante de leurs infrastructures physiques avec leurs compétiteurs. Dans un premier temps, le partage s'est limité aux sites des stations de base et aux mâts qui supportent les antennes. Puis vint le partage des abris pour réduire les coûts de climatisation et d'hébergement des équipements. Ensuite, les opérateurs se mirent à partager les équipements radio, chacun contrôlant toutefois ses propres bandes de fréquences. . . Le partage des infrastructures physiques au-delà du premier nœud du réseau cœur n'est pas actuellement supporté en standardisation. Les propositions existantes d'architectures de réseaux de prochaine génération ont toutes comme point en commun d'être basées sur un réseau cœur tout-IP, d'offrir une QoS aux applications et une performance de l'ordre de 100 Mbits/s. De plus, ces dernières proposent des mécanismes de gestion des politiques qui définissent l'utilisation des services offerts aux abonnés ainsi que la façon de comptabiliser l'usage des ressources du réseau. On dénombre trois grandes catégories de politiques : celles se rattachant à l'usager (e.g., les abonnements or/argent/bronze, accès facturé vs. prépayé), celles qui dépendent du service demandé (e.g., pour un service donné, la bande passante maximale, la classe de service et la priorité d'allocation et de rétention des ressources) et enfin les politiques relatives à l'état du réseau (e.g., niveau de congestion, répartition des agrégats de trafic, etc). Dans un premier article dont le titre est « A Potential Evolution of the Policy and Charging Control/QoS Architecture for the 3GPP IETF-based Evolved Packet Core », les aspects de FMC ainsi que du partage du réseau cœur sont traités conjointement puisqu'il faut que l'architecture PCC reflète les réalités des tendances de l'industrie décrites précédemment. Suite à la description des tendances de l'industrie furent présentés les requis d'une architecture PCC qui rendent possibles la convergence des services (capacité d'utiliser un service à partir de n'importe quel accès), le partage du réseau cœur par plusieurs opérateurs mobiles virtuels , la création de politiques propres à chaque réseau d'accès ainsi que la micro-mobilité efficace des usagers dans les scénarios d'itinérance. Dans un second temps, deux architectures de NGN furent évaluées en fonction des requis énumérés ci-dessus. Cette étude permit de déterminer qu'une solution hybride (avec les avantages de chacune mais sans leurs défauts respectifs) constituait une piste de solution prometteuse qui servit de base à notre proposition. La solution proposée atteint son but par une meilleure répartition des rôles d'affaires ainsi que par l'introduction d'une entité centrale de contrôle nommée Network Policy Function (NPF) au sein du réseau de transport IP. En effet, les rôles d'affaires définis (fournisseurs d'accès, de réseau cœur et de services) permettent la création de domaines de politiques et administratifs distincts. Ces rôles deviennent nécessaires dans les cas de partage d'infrastructures. Dans le cas contraire, ils sont compatibles avec le modèle vertical actuel d'opérateur ; ce dernier joue alors tous les rôles. Quant à l'introduction du NPF dans le réseau cœur, celui-ci permet de séparer la gestion des politiques régissant le réseau de transport IP des usagers, des services et des réseaux d'accès. De plus, il permet le partage du réseau cœur de façon à respecter les ententes de services liant ce dernier à chaque opérateur virtuel ainsi que les ententes de services liant le réseau cœur et le(s) réseau(x) d'accès. Par ailleurs, le NPF permet d'ajouter au réseau cœur des services avancés à partager entre plusieurs opérateurs. Parmi ces services, on retrouve des fonctions de transcodage audio/vidéo, des caches de fichiers (e.g., pouvant servir à la distribution de films), d'antivirus grâce à l'inspection approfondie des paquets, etc. L'avantage d'introduire ces services au niveau transport est de permettre autant aux applications IMS qu'aux autres d'en bénéficier. Le second article intitulé « A Network Policy Function Node for a Potential Evolution of the 3GPP Evolved Packet Core » constitue une extension du premier article qui décrit en détail les tendances de l'industrie, les architectures de gestion de politiques existantes et leurs caractéristiques, et enfin offrit un survol de la solution. En contre-partie, le second article aborde beaucoup plus en détail les impacts de la solution proposée sur l'architecture existante. En effet, une contribution significative de ce second article est de dresser la liste exhaustive de toutes les simplifications potentielles que permet la proposition d'architecture. La contribution majeure du second article est que la solution proposée peut être déployée immédiatement avec un minimum d'impacts. Effectivement, une petite modification à l'architecture proposée dans le premier article, au niveau des interfaces du NPF, permit cette avancée. En conséquence, cette modification réconcilie les deux variantes actuelles d'architecture basées sur les protocoles GPRS Tunneling Protocol (GTP) et Proxy Mobile IPv6 (PMIPv6). Le dernier apport important du second article est la démonstration du fonctionnement interne du NPF lorsque ce dernier contrôle un réseau de transport basé sur un mécanisme de tunnels tels que Multi-Protocol Label Switching (MPLS) ou encore Provider Backbone Bridge-Traffic Engineering (PBB-TE). Un processus d'ingénierie de trafic permet aux flux de trafic de contourner une zone de congestion, de mieux balancer la charge du réseau et d'assurer que les exigences en QoS sont toujours respectées. Le troisième article intitulé « A MultiAccess Resource ReSerVation Protocol (MARSVP) for the 3GPP Evolved Packet System » traite de QoS dans les scénarios de FMC, plus particulièrement des applications qui ne sont pas supportées par le réseau. Par exemple, toutes les applications pair-à-pair qui représentent une portion infime du volume de trafic total attribué à ce type d'application ou celles qui sont naissantes et encore méconnues. Les réseaux de deuxième et troisième générations ont été conçus de telle sorte que l'usager fournit au réseau les paramètres de QoS de l'application. Toutefois, le nombre de combinaisons des paramètres de QoS était très élevé et trop complexe à gérer. Il en résulta que pour la quatrième génération il fut décidé que dorénavant ce seraient les serveurs d'applications dans le réseau qui fourniraient ces paramètres de QoS. De même, un nombre restreint de classes de services fut défini, ce qui eut pour résultat de simplifier énormément la gestion de la QoS. Lorsque sont considérés les concepts de FMC, il devient évident que le mécanisme décrit ci-dessus ne s'applique qu'aux accès 3GPP. En effet, chaque type d'accès définit ses propres mécanismes qui doivent souvent être contrôlés par le réseau et non par l'usager. De plus, certains accès ne disposent d'aucun canal de contrôle sur lequel circule les requêtes de QoS. De même, les protocoles existants de QoS sont souvent lourds et définis de bout-en-bout ; ils ne sont donc pas appropriés à l'utilisation qui est envisagée. En conséquence, la solution proposée consiste en un nouveau protocole multiaccès de réservation de ressources. MARSVP utilise le canal de données que l'on retrouve sur tous les accès et confine les échanges de messages entre l'usager et le premier nœud IP. Les besoins en QoS sont définis en fonction des QoS Class Indicators (QCIs) ce qui rend MARSVP simple à utiliser. Suite à une requête de réservation de ressources acceptée par le réseau, ce dernier configure l'accès et retourne au terminal les informations requises à l'envoi paquets (aux couches 2 et 3).