Mobilité : HO intra/inter-fréquence

Dans la planification et l'optimisation des performances des réseaux mobiles cellulaires LTE et 5G New Radio, la gestion de la mobilité multibande représente le pivot central de la continuité de service des plans de contrôle (Control Plane) et d'usage (User Plane) [Source 1, Source 3]. Les architectures contemporaines s'appuient sur des déploiements multicouches où coexistent des fréquences basses de couverture (ex : 700/800 MHz) et des fréquences hautes de capacité (ex : 1800/2600 MHz ou bande cœur 3,5 GHz).

Ordonner la transition d'un utilisateur entre ces cellules exige de segmenter strictement les mécanismes de handover intra-fréquence et inter-fréquence. Régi par les spécifications de l'ETSI TS 102 250-2, piloter cette mobilité impose de décoder la signalisation de couche 3 (RRC) et de maîtriser la cinématique hertzienne des fenêtres de mesure (Measurement Gaps) pour en contenir l'impact sur la qualité d'expérience (QoE) [Source 1, Source 3].

1. Analyse et dissociation des mobilités intra-fréquence et inter-fréquence

a) Le Handover Intra-fréquence : La continuité sur la même porteuse

Il s'exécute entre deux cellules exploitant la même fréquence porteuse hertzienne (EARFCN identique en 4G, NR-ARFCN identique en 5G SA) [Source 1]. Le terminal (UE) peut mesurer en continu l'évolution de la puissance (RSRP / SS-RSRP) et de la qualité (SINR / SS-SINR) du voisinage sans modifier la configuration de ses têtes de réception radio RF. La décision est principalement régie par l'événement de mesure A3 (la cellule voisine devient meilleure que la source de la valeur d'un offset et d'un Hysteresis pendant un intervalle Time-to-Trigger). Les risques majeurs sont liés à la pollution pilote ou aux handovers trop tardifs (Too Late HO) en zone urbaine dense.

b) Le Handover Inter-fréquence : L'arbitrage de l'inter-couches

Il intervient lorsque la connexion active bascule entre deux cellules exploitant des fréquences porteuses distinctes [Source 1]. Ce mécanisme est l'outil privilégié de l'ordonnanceur pour exécuter des stratégies de répartition de charge (Mobility Load Balancing - MLB) ou de sauvetage de couverture en bordure de cellule (déclenchement via l'événement de mesure A5). Le principal défi d'ingénierie réside dans l'incapacité pour un smartphone doté d'une unique chaîne de réception RF de scanner une fréquence alternative tout en maintenant son flux de données actif sur sa fréquence de service

2. Le coût protocolaire de l'inter-fréquence : La cinématique des Measurement Gaps

Pour permettre à l'UE de mesurer les cellules cibles inter-fréquences ou inter-RAT (3G/4G/5G) sans interrompre sa session, le gNodeB/eNodeB doit lui imposer une désorganisation micro-temporelle : les Measurement Gaps [Source 1]

• Le mécanisme d'interruption logique : Le réseau configure un motif de coupure standardisé par le 3GPP (ex : GAP Pattern 0). Toutes les 40 ms (périodicité MGRP), l'antenne de service s'interdit d'allouer la moindre ressource physique de transmission (Scheduling L1/L2) au terminal pendant une fenêtre fixe de 6 millisecondes (Transmission Gap Length - TGL) [Source 1].
• L'impact sur le plan utilisateur : Durant ces 6 ms, le smartphone commute ses oscillateurs RF, scanne le spectre de la fréquence cible pour capturer les blocs d'informations système (SSB), puis se réaligne sur la source. Bien que transparent pour la signalisation, l'activation des Measurement Gaps contracte mécaniquement le débit utile (Throughput) de la couche 4 et induit une gigue transitoire sur les paquets, avant même que le handover ne soit formellement ordonné.

3. Analyse des KPI de Mobilité selon les compteurs 3GPP et ETSI

Pour auditer finement la robustesse de la couche réseau, le taux de succès global doit être segmenté en s'appuyant sur les messages de couche 3 (RRC) et d'interconnexion (X2AP / XnAP) [Source 1, Source 3] :

3.1. Handover Preparation Success Rate (HO Prep SR)

Il valide la phase d'ingénierie et d'interconnexion logique du réseau, se mesurant exclusivement entre les infrastructures d'accès (RAN) [Source 1].

• Équation : Handover Request Acknowledge ReceivedHandover Request Transmitted [Source 1]
• Causes de dégradation : Un effondrement du HO Prep SR indique une congestion logique de la cellule cible (refus par manque de blocs de ressources PRB lors de la phase d'Admission Control), une défaillance de routage IP sur les interfaces X2-C/Xn-C, ou des profils de tranches virtuelles (Network Slicing) saturés [Source 1].

3.2. Handover Execution Success Rate (HO Exec SR) / Handover Failure Rate (HFR)

Il qualifie la performance hertzienne réelle et l'aptitude du terminal à s'accrocher sur la cellule cible après avoir reçu son ordre de détachement [Source 1]. Le HFR (Handover Failure Rate) en est le complément direct.

• Équation : UE Context Release Command ReceivedRRC Connection Reconfiguration (with mobilityControlInfo) Transmitted [Source 1]
• Causes de dégradation : Un HO Exec SR dégradé traduit un effondrement du SINR sur la cellule cible au moment de la bascule physique, un échec de synchronisation temporelle sur le canal PRACH, ou des temporisateurs d'accès aléatoire (Contention-Based RACH) trop restrictifs face à la vitesse de déplacement du smartphone.

3.3. Handover Interruption Time & Goodput Efficiency (Plan Utilisateur)

Cet indicateur de l'ETSI TS 102 250-2 mesure le silence en millisecondes subi par le plan d'usage (User Plane) lors de la rupture de la liaison source (Break-before-make) [Source 3]. Un handover peut être validé à 100 % de succès au niveau de la signalisation RRC (HOSR global optimal) tout en présentant un temps d'interruption hors seuil (supérieur à 100 ms). Ce délai s'avère destructeur pour les applications temps réel (VoLTE/VoNR, visioconférence) en générant des coupures audios ou des rafales de retransmissions TCP au niveau de la couche L4. Sa réduction maximale exige l'activation de mécanismes avancés comme le DAPS (Dual Active Protocol Stack, abaissant la coupure à 0 ms) [Source 1].

4. L'impératif de segmentation métrologique : Dissocier l'Intra de l'Inter-fréquence

Pour un audit QoS rigoureux, l'analyse ne doit jamais s'arrêter à un indicateur global de mobilité. Un HOSR générique satisfaisant dissimule fréquemment des anomalies systémiques majeures localisées sur les changements de bandes hertziennes :

• L'effet de masquage statistique : Dans la majorité des topologies urbaines, le volume de handovers intra-fréquence (mobilité de proximité sur la même couche hertzienne) est structurellement supérieur à celui des handovers inter-fréquences. Les excellents résultats de la mobilité intra-fréquence viennent alors lisser artificiellement le KPI global, camouflant l'effondrement des performances inter-fréquences.
• La granularité du diagnostic : Segmenter les indicateurs par type de handover, fréquence source et fréquence cible est l'unique levier technique permettant de localiser les mécanismes réellement responsables des dégradations (mauvaise gestion des Measurement Gaps, seuils d'événements de mesure inadaptés, ou mauvaise planification de la connectivité duale).

5. Leviers d'optimisation d'infrastructure et d'ingénierie réseau

La remédiation des échecs de mobilité multibande repose sur l'ajustement fin des variables de couche 3 au niveau du plan de contrôle hertzien :

• L'optimisation des seuils de l'Événement A5 (Inter-fréquence) : Pour corriger un handover inter-fréquence dégradé ou tardif, l'ingénieur doit ajuster les deux seuils absolus de l'événement A5. Rehausser le seuil 1 (seuil de dégradation de la cellule de service) contraint l'UE à déclencher les Measurement Gaps plus tôt, sécurisant la phase de préparation hertzienne avant que le signal de la bande haute de capacité ne soit totalement détruit [Source 1].
• Le lissage du Ping-Pong par durcissement de l'Hysteresis : Pour stabiliser une zone de transition hertzienne instable entre deux bandes, l'augmentation de la variable d'Hysteresis (ex : passage de 1 dB à 3 dB) ou l'allongement du Time-to-Trigger impose à la bande de capacité d'être nettement supérieure à la source de manière durable avant d'exciter l'ordonnanceur, éliminant les commutations de signalisation stériles qui s'avèrent gourmandes en ressources radio.
• L'activation de l'ANR (Automatic Neighbor Relation) : Pour corriger les échecs liés aux cellules cibles manquantes, l'activation du module ANR au sein du framework SON (Self-Organizing Networks) autorise les terminaux des abonnés à détecter et déclarer de manière dynamique les identifiants de cellules de confiance absentes des tables de configuration initiales, reconstruisant automatiquement les voisinages sans intervention humaine.
• La validation méthodologique des contre-mesures : Toute modification algorithmique des compteurs hertziens (TTT, Hysteresis, offsets) doit faire l'objet d'une campagne de contre-mesures terrain post-optimisation. Pour valider l'amélioration de la rétention et de la continuité, les tests de Drive Test de validation doivent impérativement réexécuter les mêmes scripts de trafic sur les mêmes itinéraires géographiques et sous des conditions d'heures de charge réseau analogues.

Conclusion générale 

L'analyse de la mobilité multibande démontre que la performance d'une infrastructure cellulaire ne peut s'évaluer à travers un indicateur de succès global unique [Source 1, Source 3]. Le compromis permanent entre l'extension de la couverture (bandes basses) et l'injection de capacité (bandes hautes) exige de piloter les handovers intra et inter-fréquences de manière totalement cloisonnée. Une ingénierie de précision doit impérativement maîtriser le coût capacitaire des Measurement Gaps et optimiser les fenêtres temporelles des événements de mesure (A3/A5) pour éliminer le fléau du ping-pong et des défaillances radioélectriques (RLF) [Source 1, Source 3]. C'est en mesurant l'efficacité réelle du plan utilisateur que les opérateurs transforment l'asymétrie spectrale en un service transparent, stable et performant [Source 3].

NB : 

• [Source 1] : Les Spécifications Techniques du 3GPP (3rd Generation Partnership Project)
• [Source 3] : Les Standards Métrologiques de l'ETSI et de l'UIT-T (Union Internationale des Télécommunications)