Introduction

Dans cet article, les acronymes utilisés se rapportent aux acronymes des normes 3GPP LTE.

Selon les normes 3GPP, pour réduire l’activité d’une cellule, il existe deux mécanismes :

L’objectif du mécanisme de contrôle de sélection et de re-sélection de cellules est d’interdire l’accès de la cellule aux UE. La cellule est à l’état Barré (barred) ou Réservé (Reserved).
Le mécanisme de contrôle d’accès a pour objectif de contrôler la charge d’une cellule afin de réduire la congestion. Le mécanisme s’applique à des classes d’UE. La classe d’UE est inscrite sur l’application USIM au moment de l’inscription [25.304]. L’accès à la cellule est dit restreint.

Reprenons les définitions de 3GPP sur les états de la cellule [TS 36.300]

Barred Cell: Un UE ne peut pas camper sur une cellule barrée
Reserved Cell: Un UE ne peut camper sur une cellule réservée que s’il satisfait à la condition d’autorisation.
Restricted Cell: Un UE peut camper sur une cellule restreinte, mais la demande d’accès est conditionnée à la classe de l’UE et au service demandé.

Le standard définit 2 mécanismes différents :

- Réservation de cellules
  - Barred Cell ou cellule barrée
  - Reserved call ou cellule reservée
- Restriction d’accès
  - Restricted cell ou cellule restreinte.

Afin d’informer l’état de la cellule, la station de base diffuse des informations systèmes :

Le SIB1-4G transmet les informations de réservation de cellules : le terminal client n’est pas autorisé à camper sur la cellule.
Le SIB2-4G transmet les informations relatives à la restriction d’accès selon la catégorie d’UE, selon le type de bearer souhaité (signalisation ou Data) ou selon certains services (Session Data, CS ou VoLTE)
Le SIB14-4G transmet des informations de restriction d’accès pour des terminaux de type IoT. La restriction d’accès ne concerne que les souscriptions LAPI (Low Access Priority Indicator). Pour ce type de forfait, la durée de restriction d’accès est étendue par rapport aux timers du SIB2 (Extended ACB).

La sélection de cellule et la demande d’accès radio

La sélection et la re-sélection de cellules sont basées sur les informations de diffusion du SIB1 (cf. section IV).

Le mécanisme d’accès à la cellule, nommée procédure d’accès aléatoire, permet à un UE de passer de l’état de veille (RRC IDLE) à l’état connecté (RRC CONNECTED). L’UE fait une demande de connexion radio auprès de la cellule sélectionnée (sur laquelle il campe, donc la cellule n’est pas barrée). En 4G, les paramètres d’accès aléatoires RACH sont diffusés dans le SIB2. Cette demande peut être soit à l’initiative du mobile (Mobile Originated) pour transmettre de la signalisation ou des données soit provoquée par le réseau suite à une notification, nommée procédure de paging (Mobile Terminated).

Note: Les mécanismes de sélection de cellule sont détaillés dans [1], [2] ou de re-sélection de cellules dans [3],[4],[5].

Contrôle d’accès radio : Restriction de cellule

Le contrôleur de la station de base [TS22.011] met en œuvre un mécanisme d’admission radio nommé Contrôle d’accès pour :

Eviter la congestion de la station de base (celle-ci peut provenir d’un réveil de dispositifs, d’un mauvais dimensionnement lors d’un évènementiel, …).
Eviter la congestion d’une entité du cœur de réseau (congestion). La station de base reçoit une information « Start Overload » de la part du cœur de réseau

La demande de connexion radio est mise en œuvre par la procédure d’accès aléatoire (RACH). Cette demande s’effectue sur le canal radio commun CCCH (Common Control Channel). Si plusieurs UE démarrent la procédure au même moment, alors les demandes s’interfèrent au niveau de l’eNB. La station de base peut traiter les demandes dont les valeurs de préambule sont différentes mais cette interférence limite déjà le nombre de connexions radio à l’insu de la station de base. Chaque UE qui n’a pas pu établir sa demande de connexion radio, recommence ultérieurement la procédure RACH.

Après avoir atteint le nombre maximum de tentatives d’accès RACH, l’UE passe en mode de veille avant de retenter une procédure d’accès aléatoire. La durée de backoff est définie selon la table «36.321 – Table 7.2-1: Backoff Parameter values » par l’indicateur de backoff. Durant cette période, le mobile est en veille. Ainsi, l’UE peut faire une resélections de cellules. Cela dépend des conditions radios et des informations SIB émises par la cellule sur laquelle le mobile campe.

La demande de connexion radio peut aussi être consécutive à la réception d’une notification de paging de la part de la station de base. Note : il peut apparaitre étonnant que la station de base émette une notification de paging alors qu’elle est saturée.

Plusieurs raisons peuvent être avancées :

La station de base n’a pas connaissance des UE qui sont sous sa couverture radio.
- Si on prend par exemple la restriction par classe d’UE, la procédure de paging s’adresse à un UE identifié par son IMSI/SUPI et non par sa catégorie.
- SI on prend la restriction d’appel sur un pourcentage, on pourrait supposer que la station de base limite la procédure de paging au pourcentage souhaité, dénommé p. Mais le terminal qui reçoit le paging se voit de nouveau affecté par la restriction de connexion radio, il serait donc affecté au pourcentage p².
SI l’UE ne reçoit pas de notification, alors il ne peut pas informer le cœur de réseau qu’il est toujours allumé. Dans ce cas, le cœur de réseau va détacher l’UE. Il est donc nécessaire que l’UE puisse au minima envoyer une réponse au cœur de réseau (message NAS) portée par une requête RRC.

Cela signifie alors que si la station de base est saturée, elle peut refuser l’établissement d’un bearer radio data DRB, mais il est nécessaire néanmoins de traiter les messages de signalisation RRC.

A partir de cette problématique, nous allons étudier la fonction de contrôle d’accès.

Par catégorie : Restreindre l’accès radio (Access Class) à certaines classes d’UE (y compris les classes d’appels d’urgence)
Par seuil (Access Baring Rate) pour réduire les tentatives de connexion radio en fonction de ce seuil

Le mobile doit par vérifier les restrictions de la classe d’accès avant d’émettre une demande de connexion RRC CONNECTION REQUEST.

L’UE est informé de la congestion :

soit par un message de refus d’accès radio suite à la procédure d’accès aléatoire (RRC Reject, se réferer à [6])
soit par un message de diffusion SIB2-4G.
Soit par un message de diffusion SIB14-4G qui empêche le mobile d’émettre une demande d’accès (procédure RACH) tant que la congestion n’est pas résolue.

Le mécanisme de restriction de cellule s’appuie sur deux concepts complémentaires :

La classe d’accès des terminaux
Le facteur de barrage

La classe d’accès ACB : Access Class Barring

La carte UICC (SIM/USIM) de chaque UE contient un numéro de classe d’accès compris entre 0 et 9. Ce numéro est défini lors de la souscription ou correspond au dernier numéro IMSI.

Certains terminaux peuvent être membres d’une classe d’accès comprise entre 11 et 15 mais ces valeurs sont réservées en général aux UE particuliers (autorités ou services d’urgence):

Numéro de la classe d’accès	Réservé à
15	L’équipe technique de l’opérateur
14	Services d’urgence
13	Usage d’utilité publique (fournisseur Gaz, …)
12	Service de sécurité
11	Usage Opérateur

Afin de différencier les abonnés, les classes d’accès 0 à 9 peuvent avoir un accès restreint en cas de congestion. Les classes de classes 11 à 15 sont prioritaires et bien souvent non restreints. La restriction peut porter sur la donnée à émettre/recevoir ou sur un service.

On définit 3 mécanismes supplémentaires pour la restriction d’accès :

Service-Specific Access Control (SSAC)
Network Slicing
NAS Signaling

Le SSAC permet de contrôler l’accès pour des services spécifiques (comme la VoLTE et le service MMTEL) séparément des autres services.

La 5G introduit des fonctionnalités supplémentaires pour gérer l’accès à des slices de réseau spécifiques, ce qui permet une gestion plus fine de la qualité de service et des priorités.

Avec le Network Slicing, les différents slices du réseau 5G peuvent avoir des règles d’accès différentes. Par exemple, un slice pour les services critiques peut avoir une priorité d’accès plus élevée qu’un slice pour des applications de divertissement.

Non-Access Stratum (NAS) Signaling : Les messages de signalisation NAS sont utilisés pour gérer l’authentification, l’inscription et le contrôle d’accès des utilisateurs dans le réseau 5G.

Le facteur de barrage : Barring Factor

Même si l’UE n’est pas concerné par les messages de restriction sur les classes d’accès, la station de base peut néanmoins refuser l’accès radio lors de la tentative d’accès radio : l’UE choisi aléatoirement un numéro entre 0 et 1, nommé RAND (uniformément réparti), et compare la valeur tirée avec la valeur de restriction Barring Factor diffusée par l’eNB. Si la valeur tirée est inférieure à l’indicateur de restriction d’accès alors le mobile peut faire une tentative de connexion radio.

Par exemple, si le barring factor est de 0.3, il y a 30% de chances que l’UE puisse demander un accès radio.

Le durée de barrage : Barring Time

La durée de la restriction est calculée selon la formule suivante, avec ac-BarringTime qui à pour valeur possible (en s) : 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256. Cette valeur est diffusée dans le SIB2 (cf. section IV)

T303= (0.7+ 0.6 * rand) * ac-BarringTime)

Les informations SIB 4G

Cell Baring (SIB1)

Les informations SIB1 définissent l’état de la cellule. Extrait du SIB1:

Extrait du SIB1

ACB (SIB2)

L’Access Control and Barring (ACB) (contrôle d’accès et interdiction) est une fonction essentielle dans les réseaux 4G et 5G. Cette fonction est utilisée pour réguler l’accès des utilisateurs au réseau, lors de congestion du réseau (radio ou cœur de réseau).

Lorsque cette fonction est mise en œuvre, les UE concernés auront un accès réduit aux services, ce qui se traduit par une augmentation de la latence. Afin de respecter certains services, le blocage de l’accès radio peut être conditionné à une tranche d’utilisateurs ou à des services (ex LAPI : Low Access Priority Indicator). La station de base doit aussi être capable de discriminer les demandes de sessions Data de la signalisation (mobile originating and mobile terminating, mobile originating, or location registration) ainsi que pour les SMS.

Les UE prennent connaissance de la restriction d’accès à partir d’un message de diffusion SIB2 (ou SIB14 pour l’IoT).

Extrait du SIB2 :

Extrait du SIB2

Le standard propose de restreindre l’accès radio pour les bearers à partir des paramètres suivants :

envoyer de la signalisation : ac-BarringForMO-Signalling
envoyer des données : ac-BarringForMO-Data
accéder à des services téléphoniques : ssac-BarringForMMTEL-Voice-r9

Dans chacun des cas, il est indiqué :

le pourcentage de réduction à appliquer : ac-BarringFactor
La durée ac-BarringTime: ac-BarringTime
La classe affectée (Activation ou désactivation en fonction de la valeur du bit respectivement 1/0 selon la position du bit représentant les classes de 11 à 15 -bitmap) : ac-BarringForSpecialAC (ex : 10000)

A partir de la R.12, le mécanisme se complexifie en fonction de l’élément d’information IE du mobile. Se reporter à l’annexe.

Conclusion

La congestion peut être réduite par le mécanisme ACB, avec un backoff radio pour demander à l’UE de différer sa demande d’accès. La congestion peut également provenir du cœur de réseau, l’entité concernée envoie un message START OVERLOAD aux stations de base concernée.

Concernant le paging, même si l’eNB met en œuvre le mécanisme ACB et si l’UE est concerné par la restriction, la station de base indique que l’UE est néanmoins autorisé à répondre à un Paging ou de réaliser la procédure de mise à jour de sa localisation.

Le mécanisme « ACDC Application specific Congestion control for Data Communication » est similaire au mécanisme « ACB » car il permet d’accepter ou de refuser des nouvelles demandes de connexions radio. Toutefois le mécanisme « ACDC » ne s’applique pas aux services voix MMTEL, et SMS over IMS

Dans le cas où la station de base est partagée (cf article RAN Sharing : https://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2023/08/11/la-mutualisation-de-lacces-radio-ran-sharing/), si la congestion a lieu au niveau du cœur de réseau d’un opérateur, la station de base doit être capable de mettre en œuvre une restriction d’accès pour le cœur de réseau concerné.