Introduction
Commençons par rappeler ce qu'est une interface. Une interface est un point de connexion standardisé permettant à deux fonctions réseau de communiquer en utilisant une pile protocolaire bien définie.
Dans le contexte des réseaux 5G, l’interface NG est une interface logique qui relie le NG RAN, ensemble de gNB (nœuds radio de nouvelle génération) au cœur 5G via AMF pour le plan de contrôle et UPF pour le plan d’usager. Donc, l’interface NG transporte séparément les paquets du plan de contrôle et ceux du plan d’usager, supportant ainsi l’architecture CUPS (Control and User Plane Separation). Cela signifie qu’elle est divisée en deux interfaces spécifiques : la NG-C et la NG-U.
NG-C (ou N1 et N2) transporte les paquets du plan de contrôle, assurant la signalisation entre le NG RAN et le cœur 5G.
NG-U (ou N3) transporte les paquets du plan d’utilisateur, gérant ainsi les données des utilisateurs.
Dans cet article, nous allons étudier le plan de contrôle sur l’interface NG. Nous aborderons la partie plan d’usager dans un article ultérieur.
Architecture NG
Pour gérer l’authentification, la mobilité et d’autres fonctionnalités, l’UE et le cœur 5G doivent échanger des informations de manière efficace. Pour cela, il a été nécessaire de standardiser et d’adapter les interfaces et protocoles spécifiques à la 5G, notamment les interfaces N1 et N2.
La figure ci-dessous illustre l’architecture simplifiée avec les interfaces entre le RAN et le cœur 5G.
L’interface N1 est le point de connexion logique entre l’UE et le cœur 5G, spécifiquement avec la fonction AMF, en utilisant le protocole NAS-5GS (Non-Access Stratum). Cependant, le seul point d'accès physique pour l'UE au réseau mobile est la gNB (en ignorant les autres méthodes d'acces dans cet article). Cette gNB joue donc le rôle de relais pour transférer les paquets NAS-5GS entre l'UE et l'AMF.
La communication entre la gNB et l’AMF se fait via l’interface N2, utilisant le protocole NGAP (Next Generation Application Protocol). Le NGAP est le protocole applicatif utilisé pour la communication entre la gNB et l’AMF pour supporter les services associés et non associés à l’UE.
La gNB utilise le NGAP pour transporter les messages NAS en tant que charge utile. Ainsi, on peut dire que l’interface N1 est transportée à l’intérieur de l’interface N2.
Exemple de procédure NGAP non associés à l'UE
Lorsque l'on active une gNB, il est nécessaire de mettre à jour la configuration pour synchroniser les paramètres avec l'AMF. Donc la gNB utilise la NGSetupReequest pour demander des informations à l'AMF. L’AMF répond avec un message NGSetupResponse qui inclut des informations telles que le nom de l’AMF, la liste des slices supportés par l’AMF, la liste des PLMN supportées.
Cette mise à jour assure que la gNB et l'AMF sont correctement alignés pour gérer les sessions des utilisateurs. Ainsi, dans ce cas, le NGAP est utilisé pour des échanges qui ne sont pas associés aux utilisateurs mobiles.
Exemple de procédure NGAP associés à l'UE
La procédure Initial UE Message est utilisée lorsque l’UE se connecte au réseau pour la première fois ou après une période de déconnexion (exemple : mode d’avion). Cette procédure comprend l’envoi d’un message NAS de type Registration Request de l’UE à l’AMF via la gNB.
Pile protocolaire N1/N2
La figure ci-dessous montre la pile protocolaire entre l'UE, la gNB et l'AMF.
Le NAS MM (NAS Mobility Management) est la couche de gestion de la mobilité au niveau NAS. Elle est responsable des tâches telles que la gestion de la mobilité, l’authentification et la sécurité. es telles que la gestion de la mobilité, l’authentification et la sécurité. On a une sous-couche du NAS-SM, pour la gestion des sessions.
Le NAS est transporté via le protocole RRC (Radio Resource Control) sur l’interface radio. Le protocole RRC est responsable de plusieurs fonctionnalités entre l’UE et la gNB, comme la gestion des connexions radio.
Le NGAP est le protocole utilisé pour la communication entre la gNB et l’AMF. Il gère les procédures de contrôle et de signalisation. Le NAS est transporté dans le NGAP entre la gNB et l’AMF. Le NGAP est transporté sur le SCTP, un protocole fiable et adapté pour la signalisation.
Ainsi, le NAS est transporté :
- Dans le protocole RRC sur l’interface air radio entre l’UE et la gNB.
- Dans le protocole NGAP entre la gNB et l’AMF.
Interface N2
Structure du protocole NGAP
Le NGAP a une structure de taille variable. Il est structuré de manière à inclure des informations détaillées sur les procédures et les messages échangés entre les entités du réseau 5G. La structure principale du NGAP comprend les éléments suivants :
PROCEDURE : une procédure est une action spécifique définie par le protocole NGAP, comme par exemple la Initial Context Setup Procedure. Chaque procédure a une criticité qui indique l'importance du message.
Le champ PROCEDURE CODE dans le protocole NGAP identifie la procédure spécifique à laquelle le message NGAP se rapporte. Chaque procédure dans le protocole NGAP est associée à un code unique, permettant aux entités du réseau de comprendre et de traiter correctement le message reçu. Par exemple, pour un message INITIAL UE MESSAGE, le PROCEDURE CODE indique que la procédure concerne l'initialisation de la communication entre un UE et l’AMF.
CRITICALITY : le champ CRITICALITY dans le protocole NGAP indique l'importance et la gravité du message NGAP pour le réseau. Il informe les entités du réseau de la manière dont elles doivent traiter le message en fonc
| Valeur de Criticality | Signification | Explication |
|---|---|---|
| 0 | Rejet (Reject) | Le message est crucial et une erreur entraînerait le rejet de la procédure. |
| 1 | Ignorer (Ignore) | Le message est important, mais une erreur peut être ignorée sans conséquences majeures. |
| 2 | Notifier (Notify) | Le message a une importance modérée et une erreur doit être notifiée pour une prise de décision appropriée. |
Information Element (IE) : dans chaque message NGAP, on trouve un ensemble d'éléments d'information (IE). Un IE est un groupe d'informations inclus dans un message de signalisation ou un flux de données envoyé à travers une interface. Par exemple, User Location Information IE. Chaque IE est identifié par un ID, une criticité et une valeur.
Analyse d’un paquet NGAP
Pour se familiariser avec la structure du protocole NGAP, nous allons démonter et analyser un paquet NGAP de type INITIAL UE MESSAGE.
Lorsque l’on allume un UE ou que l’on désactive le mode avion, l’UE déclenche une demande d’enregistrement au réseau 5G. Il envoie alors un message NAS de type Registration Request à l’AMF via l’interface N1. Comme expliqué précédemment, l’interface N1 est transportée par le protocole RRC sur l’interface radio et par le NGAP sur l’interface N2.
Quand la gNB reçoit de l'interface radio le premier message NAS à transmettre à l'AMF, elle utilise la procédure INITIAL UE MESSAGE pour envoyer la demande Registration Request à l’AMF. En plus du message NAS, la gNB doit ajouter d’autres informations (Information Element) dans le NGAP.
Nous allons analyser cet exemple de paquet NGAP InitialMessage utilisé pour une demande d'enregistrement (registration request).
Comme on le voit sur ce fichier pcap, on observe que le ProcedureCode égale à 15, ce qui correspond à l'ID d'un message InitialUEMessage.
Une valeur de Criticality égale à 1, qui correspond à "Ignore" (voir le Tableau des valeurs de "Criticality") .
Ensuite, nous avons une liste de cinq Information Elements (IE). Nous allons les analyser un par un. Pour afficher l'analyse d'un IE, cliquez sur le "+" de l'élément dans la liste suivante.
Pour le premier IE, comme on le voit dans l'image :
- L'ID de la procédure est égal à 85, ce qui correspond à RAN-UE-NGAP-ID. C'est un identifiant unique de l'UE dans le RAN.
- La criticité est égale à 0, ce qui signifie que le paquet doit être rejeté en cas d'erreur.
- La valeur de ce RAN-UE-NGAP-ID est égale à 1.
Pour le deuxième IE :
L'ID de la procédure est égal à 38, ce qui correspond à NAS-PDU.
Le NAS-PDU est une unité de données contenant des informations essentielles pour l'authentification et la signalisation.
On détaillera l'analyse du NAS-PDU dans un autre article.
Pour le troisième IE : L'ID de la procédure est égal à 212, ce qui correspond à UserLocationInformationNR.
C'est des informations sur la localisation de l'utilisateur.
Comme illustré dans la capture ci-dessous, on voit principalement deux informations de localisation:
nR-CGI
Le nR-CGI (NR Cell Global Identity) est un identifiant utilisé dans le réseau 5G pour identifier de manière unique une cellule au sein d'un réseau de radio NG. Le nR-CGI se compose du PLMN-ID et de NR Cell Identity. Ce dernier est unique pour chaque cellule dans le réseau NR. Ici, la cellule a l'identifiant 0x00000010, ce qui est une valeur hexadécimale. Le PLMN-ID est lui-même composé du MCC (Mobile Country Code), un code à trois chiffres représentant le pays, et du MNC (Mobile Network Code), un code à deux ou trois chiffres représentant l'opérateur mobile au sein du pays. Dans notre exemple, le MCC est égal à 208, ce qui correspond à la France, et le MNC est égal à 93, ce qui fait référence au réseau de Thales Communications & Security.
TAI
Nous avons également le TAI (Tracking Area Identity), l'identifiant de la zone de suivi, qui inclut le PLMN-ID et le TAC (Tracking Area Code), le code de la zone de suivi. Dans notre exemple, le TAC est égal à 1.
Pour le quatrième IE : L'ID de la procédure est égal à 90, ce qui correspond à RRCEstablishmentCause. Ce qui signifie la raison pour laquelle l'UE initie une procédure d'établissement de connexion RRC entre l'UE et la gNB.
Nous voyons que la valeur du champ RRCEstablishmentCause est 3. Cela nous indique que la cause de l'établissement de la connexion RRC est pour une signalisation mobile d'origine (mo-Signalling).
Pour le cinquième IE : L'ID de la procédure est égal à 112, ce qui correspond à UEContextRequest.
Cet IE est utilisé dans les messages de signalisation pour indiquer qu'un réseau demande des informations contextuelles sur un UE.
La valeur requested (0) pour le champ UEContextRequest indique que lgNB a demandé le contexte de l'UE.
Ces IE fournissent des informations spécifiques cruciales pour la procédure NGAP en cours, assurant ainsi une communication efficace et précise entre les éléments du réseau.
Conclusion
L'interface NG joue un rôle important dans le réseau 5G, permettant une communication efficace entre le NG RAN et le cœur du réseau 5G. Dans cet article, nous avons introduit le plan de contrôle de l'interface NG, exploré la pile protocolaire utilisée, avec un focus particulier sur le NGAP.
Dans le prochain article, nous examinerons en détail le NAS et le flux d'appel de l'enregistrement.
Références
Source 01 : Specification 38.413 (3gpp.org) | NG-RAN; NG Application Protocol (NGAP) | Release 15
Source 02 : Specification 38.401 (3gpp.org) | NG-RAN; Architecture description | Release 15
Source 03 : Specification 38.410 (3gpp.org) | NG-RAN; NG general aspects and principles | Release 15
