À mesure que les réseaux 5G se développent, les opérateurs doivent relever le double défi de soutenir une combinaison hétérogène de services, allant de la diffusion vidéo haute définition à l'automatisation industrielle en temps réel, tout en maintenant des objectifs de fiabilité et de latence rigoureux. Deux technologies fondamentales sont apparues comme des piliers pour répondre à ces exigences : le slicement de réseaux et les codes de contrôle de la parité de faible densité (LDPC). Le slicement de réseaux permet la création de multiples instances de réseau virtualisées de bout en bout sur une infrastructure physique partagée, chacune adaptée aux besoins spécifiques de service.

Scintillement du réseau : architecture, principes et mise en oeuvre

Le slice de réseau est une innovation fondamentale de la conception de systèmes 5G, officialisée dans les spécifications du projet de partenariat de 3e génération (3GPP) de la version 15. Il permet de partager une infrastructure physique 5G unique, comprenant l'accès radio, le transport et les réseaux de base, en plusieurs sections logiques, - chacun se comporter comme un réseau indépendant avec ses propres ressources, politiques et garanties de qualité de service (QoS).

Concepts fondamentaux : virtualisation et isolement

Chaque tranche de réseau est un réseau logique isolé de bout en bout. L'isolement permet de s'assurer que le trafic, la consommation de ressources et les défaillances d'une tranche n'affectent pas les autres. Ceci est obtenu par la réservation de ressources et la segmentation à plusieurs couches : spectre radio (p. ex., parties dédiées de bande passante), réseau de transport (p. ex., circuits virtuels ou tunnels dédiés) et réseau central (p. ex., instances distinctes des fonctions de plan utilisateur et de gestion de session).

Types de tranches: eMBB, URLLC et mMTC

La norme 5G identifie trois familles de services primaires qui doivent recevoir des tranches :

  • Broadband mobile amélioré (eMBB):[ Nécessite des taux de données élevés (jusqu'à 20 Gbps) et une latence modérée.Les applications typiques sont le streaming vidéo haute définition, la réalité virtuelle et les téléchargements de fichiers importants.
  • Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLC):[ Cible la latence inférieure à 1 ms et la fiabilité de 99,99 % ou plus. Les cas d'utilisation comprennent la commande autonome de véhicule, la chirurgie à distance et l'automatisation industrielle.
  • Massives Machine-Type Communications (mMTC):[ Se concentre sur la connexion d'un nombre énorme (jusqu'à 1 million par km2) de dispositifs de faible puissance et à faible débit de données, tels que les capteurs et les compteurs intelligents.

Le sliceage réseau permet à ces exigences disparates de coexister sur la même infrastructure physique sans compromis. Par exemple, une tranche eMBB peut attribuer une large bande passante et une latence détendue, tandis qu'une tranche URLLC réserve des ressources radio dédiées et minimise les retards de traitement.

Mise en œuvre avec le NFV et le SDN

Le slice réseau repose sur le NFV pour mettre en place des fonctions de réseau virtuel (VNF) sur le matériel de base et sur le SDN pour configurer programmatiquement le transfert de trafic et l'allocation des ressources. Les systèmes de gestion et d'orchestration (MANO) coordonnent les cycles de vie des tranches : création, mise à l'échelle et terminaison. L'architecture 3GPP introduit également une fonction de sélection des tranches réseau (NSSF)[ qui oriente l'équipement utilisateur (UE) vers des tranches appropriées en fonction des demandes d'abonnement et de service. Cette approche flexible permet aux opérateurs d'offrir des tranches en service aux industries verticales, permettant des accords de niveau de service personnalisés (SLA).

L'importance des codes LDPC en 5G : Correction d'erreur à l'arête

Pour la 5G, le canal de données (Physical Downlink Shared Channel, PDSCH, et Physical Uplink Shared Channel, PUSCH) utilise les codes LDPC comme système de codage obligatoire des canaux. Le 3GPP a sélectionné le LDPC après une évaluation approfondie de son excellent débit, de sa capacité d'évolutivité et de sa quasi-capacité sur une vaste gamme de taux de code et de longueurs de blocs.

Pourquoi le LDPC pour 5G?

Les codes LDPC ont été introduits par Robert Gallager en 1960, mais ne sont devenus pratiques que des décennies plus tard avec des progrès dans la puissance de traitement.

  • Les décodeurs LDPC peuvent être parallélisés efficacement, ce qui permet de mesurer les débits de données multigigabits avec une latence modeste.
  • Taux de code flexibles:[ La norme 5G définit un ensemble riche de taux de code d'environ 1/3 à 8/9, permettant l'adaptation à des conditions de canal changeant sans changer la structure de code sous-jacente.
  • Mise en œuvre matérielle efficace:[ Les algorithmes de décodage en couches réduisent les exigences de mémoire et de calcul, ce qui les rend adaptés aux processeurs de bande de base.

Pour les blocs plus courts (utilisés dans URLLC), le LDPC avec appariement de vitesse et raccourcissement dépasse toujours les alternatives comme les codes polaires adoptées pour les canaux de contrôle. Lien externe : 3GPP 5G Aperçu du système fournit des détails sur la sélection du codage.

Structure et fonctionnement du code LDPC

Le décodage est effectué par l'intermédiaire d'algorithmes de propagation des croyances (somme-produit) ou de la somme min. La sparté de la matrice assure une faible complexité du décodage. En 5G, la famille de graphiques de base LDPC se compose de deux graphiques de base : BG1 (pour les longueurs de blocs plus grandes et les taux plus élevés) et BG2 (pour les longueurs de blocs plus petites et les taux plus bas). Ces graphiques de base sont ensuite levés (expandés) pour obtenir des matrices de contrôle de parité réelles de tailles différentes. La flexibilité de choix de la taille de levage et de la correspondance de taux permet à un seul encodeur/décodeur LDPC de gérer tous les blocs de transport de canaux de données.

Gains de performance dans les réseaux 5G

Les comparaisons avec les codes turbo de la quatrième génération de LTE montrent que le LDPC offre une amélioration de débit de 10 à 20 % au même rapport signal-bruit (SNR) et permet une efficacité spectrale plus élevée. De plus, le latence de décodage LDPC peut être aussi faible que quelques microsecondes avec du matériel dédié, répondant aux contraintes URLLC.

Synergy: Comment le scinçage du réseau améliore le déploiement du code LDPC

Le scintillement fournit un cadre pour déployer des codes LDPC avec des paramètres contextuels, maximisant leur efficacité pour chaque type de service. Sans scintillement, le réseau doit fonctionner sous une configuration de codage unique, ce qui conduit à des performances sous-optimales pour les services exigeants.

Paramètres de codage personnalisés par tranche

Chaque tranche peut commander son propre taux de code LDPC, ordre de modulation et stratégie de retransmission (par exemple, configuration HARQ). Pour une tranche eMBB avec des conditions de canal stables, le réseau peut utiliser un taux de code élevé (par exemple, 7/8) et une modulation à haut niveau (256-QAM) pour maximiser le taux de données.

Sélection de graphiques de base adaptés

La conception 5G LDPC prend en charge deux graphiques de base : BG1 pour les blocs de transport plus grands (généralement eMBB) et BG2 pour les blocs plus petits (URLLC ou mMTC). Le slice réseau peut imposer quel graphique de base est utilisé par tranche. Par exemple, une tranche IoT massive avec des paquets minuscules peut utiliser exclusivement BG2, optimiser la latence de décodage et la consommation d'énergie.

Réduction de l'interférence par isolement des tranches

L'un des principaux avantages du slice réseau pour le LDPC est la réduction du brouillage intercellulaire et interservices.Dans un réseau conventionnel, les transmissions eMBB à haute puissance peuvent causer un brouillage important aux utilisateurs du LDPC à proximité, ce qui nuit à leur performance en matière de taux d'erreur. En répartissant des ressources de fréquences distinctes ou des couches spatiales pour les tranches, les opérateurs peuvent créer des canaux propres pour les services critiques en temps.

Attribution optimale des ressources pour le décodage

Le décodage LDPC consomme des ressources informatiques importantes dans les processeurs de bande de base. Le slice réseau peut prioriser les cycles de décodage pour les tranches sensibles aux latences. Par exemple, une tranche URLLC peut être attribuée à un matériel de décodage dédié (ou à des fentes de traitement divisées dans le temps) pour garantir un faible décodage. Inversement, une tranche eMBB peut utiliser des décodeurs parallèles pour un débit élevé.

Avantages du glissade pour les codes CLD : une ventilation détaillée

Amélioration de la fiabilité

La fiabilité est mesurée comme la probabilité d'une livraison réussie dans une limite de latence donnée. En isolant les tranches, les codes LDPC fonctionnent dans un environnement d'interférence contrôlé, réduisant le nombre d'erreurs de bloc résiduel. Dans les tranches URLLC, où la fiabilité de 99,999% est requise, cet isolement est essentiel. Les essais en champ précoce montrent que le slice peut réduire le taux d'erreur de bloc (BLER) de plusieurs ordres de grandeur pour le même codage des frais généraux par rapport à l'opération de canal partagé.

Performance optimisée par cas d'utilisation

Au-delà des interférences, le slice permet de régler finement les paramètres de décodage itératif – comme les itérations maximales et les seuils de terminaison précoce – par tranche. Pour une tranche eMBB, le décodeur peut exécuter plus d'itérations pour obtenir un BLER plus bas, tandis qu'une tranche URLLC peut limiter les itérations à la latence liée. Cette optimisation par tranche est rendue possible par l'environnement virtualisé découpé et serait complexe dans un réseau monolithique.

Scalabilité et déploiement adaptatif

À mesure que la demande augmente, les opérateurs peuvent injecter de nouvelles tranches et ajuster les configurations de LDPC sans remodeler l'ensemble du réseau. Par exemple, une usine peut déployer une tranche privée d'URLLC pour le contrôle des robots; les paramètres de LDPC sont définis pour maximiser la fiabilité.

Les défis de l'intégration du scinçage des réseaux et du CLD

La gestion du cycle de vie des tranches doit se coordonner avec la configuration du LDPC à travers le RAN, le transport et le noyau, nécessitant une orchestration de bout en bout. Contraintes de latence : le décodage du LDPC lui-même ajoute des microsecondes, mais les décisions de gestion des tranches peuvent impliquer des délais plus longs.

Complexité de l'orchestration de bout en bout

La configuration d'une tranche avec des paramètres spécifiques de LDPC nécessite une interaction entre l'entité de gestion du sous-réseau de tranche réseau (NSS) et le planificateur et la couche physique de gNodeB. Cela nécessite des interfaces normalisées et un signal rapide. Le 3GPP travaille sur l'analyse des données réseau (NWDAF) pour soutenir l'optimisation des tranches et du codage, mais l'automatisation complète reste un domaine de recherche active.

compromis entre flexibilité et performance

Pour le LDPC, l'attribution de différents taux de code par tranche pourrait augmenter les frais généraux de signalisation et causer un désalignement avec la structure inhérente au code. De plus, le décodeur doit être capable de changer les configurations par transmission-temps-intervalle, ce qui impose des exigences strictes sur la conception du matériel.

Adaptation dynamique à l'État de la Manche

Pour un déploiement maximal du LDPC, le taux de code par tranche doit suivre les variations de qualité des canaux. Cependant, dans un réseau tranché, plusieurs tranches partagent les mêmes ressources physiques et leurs états de canaux peuvent être contradictoires. Les programmeurs avancés doivent optimiser conjointement l'isolement des tranches et l'adaptation au codage, un problème qui est intensif sur le plan informatique.

Perspectives d'avenir : La voie vers la 6G et au-delà

En 6G, les attentes comprennent les latences de sous-milliseconde et les taux de données de térabit, nécessitant un codage encore plus flexible et efficace. Les codes LDPC peuvent être étendus avec le codage analogique ou intégrés avec des surfaces réfléchissantes intelligentes. Le slice réseau devrait devenir encore plus granulaire, avec des -micro-slices à grain fin qui s'adaptent en temps réel à la mobilité des utilisateurs et aux éclatements de trafic.

Apprentissage automatique pour le codage par tranche

L'orchestration par l'IA permettra de prédire les interférences, la mobilité des utilisateurs et les profils de trafic pour préconfigurer les paramètres LDPC par tranche. Les réseaux neuronaux profonds peuvent apprendre des taux de code optimaux et des stratégies HARQ sans estimation explicite des canaux.

Normalisation et interopérabilité

Pour que les améliorations décrites deviennent plus générales, les organismes de normalisation doivent continuer à définir des interfaces ouvertes pour la configuration des couches physiques de la tranche. Le RIC (Ran Intelligent Controller) est une plateforme prometteuse pour l'hébergement de xApps qui contrôle les paramètres LDPC par tranche. Lien externe : O-RAN Alliance fournit des spécifications pour les architectures RAN ouvertes.

Conclusion

Le slice de réseau et les codes LDPC sont deux piliers de 5G qui permettent un écosystème sans fil robuste, adaptable et efficace. Le slice de réseau fournit le cadre opérationnel pour déployer des codes LDPC avec une personnalisation par service, l'isolement de l'interférence et l'affectation des ressources prioritaires. Cette synergie améliore la fiabilité, optimise les performances et soutient une croissance évolutive dans divers cas d'utilisation.