Etablissement de la connexion radio – Partie 3 : La procédure

Nous allons maintenant étudier la procédure d’accès aléatoire.

Lorsque le terminal UE est en veille, il récupère les paramètres d’accès radio transmis par la station de base à travers les différents SIB. Les informations SIB sont diffusées dans la cellule sur des canaux communs. Notamment, le terminal UE prend connaissance du SIB2 mais aucune ressource radio spécifique lui est dédiée.

Pour obtenir des ressources dédiées le terminal utilise dans un premier temps des ressources communes à l’ensemble des terminaux pour contacter l’entité radio (nous traitons le cas en 5G avec l’entité gNb mais la procédure est identique pour les autres accès radio mobiles) et l’informer de sa demande. Les ressources PRACH étant accessibles à l’ensemble des terminaux, la procédure d’accès aléatoire doit être en mesure de détecter un conflit en cas de collision.

Pour limiter les collisions, la station de base propose un ensemble de préambules (64 maximum). Le terminal tire au hasard un préambule parmi la liste proposée (on parle d’accès aléatoire). Le préambule est une séquence de Zadoff-Chu définit par son index RAPID (Random Access Preamble ID, l’index fait une correspondance avec la racine de la séquence, se référer au premier article décrivant l’accès aléatoire).

Cependant, rien n’exclut l’hypothèse que deux terminaux UE choisissent séparément le même préambule au même moment et transmettent chacun leur demande sur des ressources fréquentielles identiques. On parle alors de collision.

La procédure est décrite par les échanges suivants :

msg1 : Le terminal UE envoie sa demande d’accès aléatoire en transmettant un préambule. Une fois le préambule émis, le terminal UE écoute la réponse de la station de base entre l’instant t1 et t2= t1+ Fenêtre_reception (T300)

msg2 : La station de base répond au terminal mobile UE en indiquant l’avance de temps (TA) que le terminal UE doit appliquer, et lui alloue des ressources radios pour le prochain message montant. La réponse est diffusée sur le canal commun à l’ensemble des terminaux via le canal PDCCH. Le CRC du message DCI est embrouillé par l’identifiant RA-RNTI. Lorsque le terminal UE décode le PDCCH avec son identifiant RA-RNTI, il lit le contenu diffusé dans le canal PDSCH.

msg3 : Le terminal UE envoie une unité de donnée MAC ou un message RRC avec une identité UE. Cet identifiant va permettre de résoudre les conflits.

msg 4 : La station de base gNB diffuse sa réponse en indiquant l’identité reçu du terminal dans sa reponse. Ainsi, en cas de conflit, le terminal pour lequel la réponse du gNb correspond à son identifiant a réussi son accès aléatoire, pour les autres la réponse msg4 est attendu jusqu’à l’expiration du temporisateur. Une nouvelle demande d’accès sera alors renouvelée dans la limite des demandes autorisées dans le message SIB2.

Figure 1 : Procédure d’accès aléatoire

Le terminal UE émet ses messages et attend les réponses dans des fenêtres temporelles définies par l’accès radio.

Figure 2 : Les temporisateurs de la demande d’accès

L’objectif est maintenant de comprendre :

  • comment la station de base est en mesure de détecter plusieurs requêtes d’accès aléatoire ;
  • comment s’effectue la résolution de conflit.

Nous partons sur l’hypothèse de 3 terminaux UE A, UE B et UE C qui envoient leur demande d’accès aléatoire au même moment et sur les mêmes ressources tempo-fréquentielles. Dans ce cas l’identifiant RA-RNTI pour chaque terminal est identique. On suppose de plus que les terminaux UE A et UE B choisissent le même préambule. Dans ce cas , il y a collision.

Figure 3 : Demande d’accès UE vers gNB

Les préambules 1 et 3 sont différents, cela signifie que les séquences de Zadoff-Chu transmises par les terminaux A et C (ou B et C) ne sont pas identiques. Comme les séquences sont orthogonales, l’entité gNB est capable de les détecter. Par contre, les séquences émises par les terminaux UE A et UE B sont identiques, la station de base ne détecte donc qu’un seul message (pensant qu’il s’agit de multi-trajets).

La station de base répond aux 3 terminaux simultanément. Les terminaux sont informés d’une réponse en décodant l’information DCI dans le canal PDCCH. Les terminaux vont ensuite lire le message RAR (Random Access Response) présent dans le canal PDSCH. Le contenu du message contient les préambules décodés par la station de base gNB :

Figure 4 : La réponse du gNB vers les terminaux (message RAR)

Les terminaux A et B enregistrent l’identifiant radio temporaire TC-RNTI1 avec le Timing Advanced mesurée par la station de base. Ce TA correspond évidemment à l’un des deux terminaux. Le terminal C enregistre sont identifiant temporaire C-RNTI3.

Pour lever la collision entre les terminaux A et B, chaque terminal envoie son message 3 (RRC Connection Request) avec l’identifiant temporaire TC-RNTI1 et leur identifiant aléatoire comme identité de l’UE (UE-identity).

Figure 5 : Les terminaux acquittent le message reçu auprès de l’entité gNB

Dans l’exemple ci-dessus, la station de base gNB reçoit la réponse des terminaux A et B avec, pour chaque UE, une identité aléatoire UE-identity. Cette réponse permet à la station de base d’identifier le terminal A et le terminal B et de faire la correspondance avec l’identifiant radio temporaire TC-RNTI1. La station de base détecte ainsi la collision. Dans la procédure, la station de base répond au terminal qui envoie le msg 3 en premier et ignore les autres messages msg3 qui portent le même identifiant temporaire TC-RNTI1. Elle reçoit également le message du terminal C avec l’identifiant temporaire TC-RNTI3. Elle fait donc une correspondance entre l’identifiant radio temporaire TC-RNTI3 et le terminal C UE-identity. Il n’y a pas de conflit.

Dans le chronogramme, on suppose que le terminal A est plus proche de la station de base gNb que le terminal B. Ainsi, la station de base reçoit d’abord le message 3 du terminal A et diffuse vers tous les terminaux un message de contrôle PDCCH DCI. Le contenu du message msg4 est transmis dans le canal PDSCH RRC_Connection_Setup avec la correspondance entre l’identifiant temporaire TC-RNTI1 et l’identité aléatoire UE-identity_A. La station de base diffuse le message qui est donc reçue par le terminal A et le terminal B. Le terminal A retrouve ainsi son identité temporaire UE-identity A dans le message de la station de base, les terminaux B et C reçoivent une réponse avec l’identité temporaire d’un autre terminal UE-identity A. Le terminal B attend la réponse du gNb (qui n’arrivera pas) jusqu’à la fin du temporisateur T300, le terminal C attend la réponse du gNB qui est transmise avant la fin du temporisateur T300.

Le message RRC_Connection_Setup permet également au terminal concerné de récupérer les informations de séquencement (attribution des ressources radio) pour la voie montante.

Les terminaux A et C vont donc pouvoir transmettre à la station de base la raison de leur demande d’accès (message NAS à destination de l’entité AMF), en encapsulant le message NAS dans la requête RRC Connection Setup Complete.

Le terminal B va refaire une procédure d’accès aléatoire.

Figure 6 : Signalisation montante pour les terminaux A et C, procédure aléatoire pour l’UE B

Figure7 : La procédure d’accès aléatoire complète

 

Etablissement de la connexion radio – Partie 2 : Les ressources et l’identifiant aléatoire

Avant d’émettre sa demande d’accès aléatoire, le terminal doit récupérer un ensemble d’informations transmises par la station de base via le message SIB2 :

  • la configuration du PRACH (prach-ConfigIndex) ;
  • le jeu des préambules d’accès aléatoires disponibles (la racine q et les décalages de la séquence, se référer à la partie 1) ;
  • la fenêtre temporelle pour la réponse (ra-ResponseWindowsSize) ;
  • la puissance d’émission du préambule initial (preambleInitialRecievedTargetPower) ;
  • le facteur de rampe de puissance (powerRampingStep) ;
  • en cas de non réponse, le nombre maximum de préambules pouvant être émis (preambleTransMax) ;
  • le temporisateur de résolution de contention (mac-ContentionResolutionTimer)

Figure 1 : Extrait des informations du SIB2

A partir de :

  • l’information msg1-FrequencyStart, le terminal UE calcule la position fréquentielle de la localisation du canal PRACH ;
  • l’information msg1-FDM, le terminal connait le nombre d’occasion PRACH dans le domaine fréquentiel

A titre d’exemple :

Dans la bande FR2 :

Figure 2 : La configuration de l’accès aléatoire selon la table 38.211 v15.5-Table 6.3.3.2-4

Les numéros de slot de référence sont le 19 et le 29, nous allons maintenant calculer la position du slot du RACH à partir de la référence du slot 19 :

N°slot_RACH=Starting_symbol + Numero_occassion_PRACH*Durée_PRACH+Nbre_symboles_par_slot*numero_du_slot

Avec :

  • Starting_symbol est une valeur indiquée dans le tableau, la valeur est à 7
  • Numero_occassion_PRACH correspond aux occasions du RA. L’indice démarre à 0 jusqu’à Number_of_time_domain_occasion – 1. La valeur vaut 0
  • Nbre_symboles_par_slot est de 14
  • Numero_du_slot se calcule par la formule suivante :
    • Si SCS = {1,25 kHz, 5 kHz, 15 kHz, 60 kHz} alors Numero_du_slot=1
    • Si SCS = {30 kHz, 60 kHz} et
      • si le nombre de slot RACH par sous-trame =1 alors Numero_du_slot=1
      • sinon Numero_du_slot={0,1}

Dans notre exemple, le symbole sur lequel démarre le canal PRACH est à la position : 7+0*6+14*1=21 par rapport au slot 19. Il se situe donc à la position du symbole 7 du slot 20

Figure 3 : Exemple de transmission du PRACH (FR2, format A3)

Une fois le préambule sélectionné, le terminal UE détermine la prochaine occasion pour envoyer sa demande. La puissance d’émission est estimée à partir des paramètres reçus par le SIB2 et en augmentant la puissance à chaque retransmission.

La demande d’accès est contrôlée par la station de base en indiquant par le message SIB2 les occasions du canal PRACH dans le domaine temporel et fréquentiel.

Ressources Temporelles (prach-ConfigurationIndex)

La référence temporelle est la durée d’une trame, soit 10 ms. La transmission du canal PRACH au cours de la trame est définie par les paramètres suivants :

  • PRACH configuration period : Le numéro de trame SFN utilisé pour transmettre le canal PRACH est défini par la condition suivante : x mod SFN = y.
    • A titre d’exemple x=16, alors les occasions du canal PRACH sont espacées de 160 ms
    • Si x=16, y=1, alors les numéros de trames portant le canal PRACH sont définis par le numéro de trame SFN 1,17,33,49,…
  • SubFrame Number : Indique le ou les sous-trames dans la trames qui transportent le canal PRACH
  • Slots with PRACH : La référence est un espacement entre sous-porteuses (SCS) de 60 kHz, pour laquelle on a 4 slots par sous trames soit 40 slots par trame. Le nombre d’occasion est donc de 40 lorsque l’espacement entre sous-porteuses est de 60 kHz ou 40*2 slots pour un espacement entre porteuses de 120 kHz.

Ressources Fréquentielles

  • msg1-FrequencyStart : Indique la première ressource PRACH
  • msg1-FDM : Indique le nombre de ressources fréquentielles pour le PRACH (1,2, 4 ou 8)

A partir de ces valeurs, le numéro de la sous-trame et l’index de fréquence utilisé par le terminal pour transmettre sa demande d’accès aléatoire permet de calculer l’identifiant radio RA-RNTI :

RA-RNTI= 1 + s_id + 14 × t_id + 14 × 80 × f_id + 14 × 80 × 8 × ul_carrier_id

  • s_id : Index du premier symbole OFDM (entre 0 et 13)
  • t_id : Index du premier slot dans la trame (entre 0 et 79)
  • f_id : Index dans le domaine fréquentiel (entre 0 et 7)
  • ul_carrier_id est égal à 1 si la demande est faite dans la bande SUL, 0 sinon

Cette valeur sera utilisée par l’entité gNB pour répondre au terminal : le terminal écoute le canal PDCCH émis par l’entité gNb et recherche la réponse pour laquelle le code détecteur d’erreur CRC est mélangée par l’identifiant RA_RNTI (ou exclusif).

En fin de transmission, le terminal UE écoute (sur une durée définie) la réponse de l’entité gNB laquelle contient le numéro de référence RA-RNTI.

Références

3GPP 38.211

https://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_RACH.html

Etablissement de la connexion radio – Partie 1 : Les séquences aléatoires

La connexion radio s’effectue par un échange de signalisation entre le terminal UE et la station de base gNB.

La première étape, nommée Accès Initial (Initial Access) permet au terminal de se manifester auprès de la station de base en transmettant un préambule (procédure d’accès aléatoire ou RACH). En retour, le terminal se synchronise en Uplink avec la station de base et récupère un identifiant radio.

  • La séquence aléatoire RA

La procédure d’accès aléatoire est destinée à résoudre les possibles collisions si deux ou plusieurs terminaux souhaitent établir simultanément une connexion radio. Les étapes de la connexion radio sont :

1 – Le terminal UE émet un préambule dans le canal d’accès aléatoire PRACH

A l’instar de la 4G, le préambule est une séquence de Zadoff-Chu. La séquence est définie de la manière suivante :

N est la longueur de la séquence, N est un nombre premier. La séquence est nommée séquence d’accès aléatoire ou RA (Random Access),  z indice n exposant u représente la n-ième bit de la séquence de Zadoff-chu de racine u.

La u-ième racine est obtenue à partir de l’index de la séquence i transmis par la variable rootsequenceIndex.

Table 1 : Le numéro de séquence en fonction de i

Le numéro de séquence logique est porté par le SIB 2 rootsequenceIndex. A titre d’exemple, si l’on se réfère au tableau, ‘rootsequenceIndex = 22’ correspond à u=1 :

Table 2 : Correspondance entre i et u

Le signal émis est la transformée de Fourier sur N sous-porteuses dont l’amplitude de la n-ième sous porteuse est définie par la séquence de Zadoff-Chu (se référer à l’équation ci-dessus).

Pour la 5G, N prend pour valeur 139 ou 839. Si l’espacement entre sous-porteuses est de 1,25 kHz, le signal est émis respectivement sur une largeur de bande de 173,5 kHz ou 1048,8 kHz.

Figure 1 : Synoptique de transmission

La séquence de Zadoff-Chu possède des propriétés suivantes :

  • signal d’amplitude constante ;
  • bonne propriété d’autocorrélation permettant à la station de base de détecter une séquence par un pic sur la séquence d’’autocorrélation ;

la puissance d’intercorrélation entre deux séquence de Zadoff (q1 et q2 différents) est égale à 1/N.

La figure 1 représente l’autocorrélation de la séquence de Zadoff-Chu de 139 bits (25ème racine)

A partir de la connaissance de q et de N, les préambules émis est une séquence aléatoire avec un décalage cyclique  C possible est :

Figure 2 : Autocorrélation d’une séquence de Zadoff-Chu de longueur 139

Le canal physique PRACH transporte la séquence aléatoire RA précédée d’un préfixe cyclique et suivi d’un temps de garde.

Figure 3 : Le canal PRACH

On nomme TSEQ la durée de la séquence avec le préfixe cyclique, et TTG la durée du temps de garde. Soit τd l’étalement temporel du canal (le délai de propagation du canal dû aux multitrajets, s’exprime ne µS) et R le rayon de la cellule couverte par la station de base, alors :

A partir de ncs, on peut déterminer le nombre de séquences aléatoires possible à partir d’une séquence de Zadoff-Chu et vaut M/ncs.

A titre d’exemple, si M=839 et ncs=11 alors une séquence génère 76 RA différents.

En général, une cellule dispose de 64 codes RA, toutefois, 14 codes sont réservés pour la demande d’établissement radio lors d’un handover, c’est-à-dire sans contention, contention free et 50 pour la demande d’accès aléatoire avec contention.

La taille de la cellule permettant un accès initial se calcule à partir de la durée du temps de garde. La durée d’un slot est de 1 ms. La durée du préfixe cyclique permet de compenser l’étalement temporel du canal.  Par exemple, je fixe TCP=103.13 µs. Supposons une séquence aléatoire TSEQ=800µs. La durée  de la séquence dépend à la fois de la taille du message aléatoire (139 ou 839 bits) et de l’espacement entre porteuse. La durée du temps de garde TGP=1000-103.13-800=96.87 µs.

Figure 4 : Le format 0 du canal PRACH

Le temps de garde correspond au temps autorisé pour faire une transmission aller-retour : le mobile est synchronisé sur le lien descendant par la séquence de synchronisation de la station de base. Il reçoit le signal avec un retard qui dépend de la distance. La distance parcourue entre la station de base et le terminal est : d = c. t avec t le temps que met l’onde pour se propager de la station de base vers le terminal.

Si la séquence est de 800 µs, la célérité de la lumière est de 3.108 m/s soit 0.3 km/µs alors : d=0.3*96.87/2=14.5 km

  • Le format PRACH

La 5G supporte 13 formats différents, définit en fonction

  • de la longueur de la séquence RA ;
  • de l’espacement entre sous-porteuse : SCS=1.25 kHz ou SCS=15 kHz ;
  • de la longueur de la durée du préfixe cyclique ;
  • de la longueur de la séquence ;
  • du nombre de répétition.
  1. a) Les formats long : Formats 0, 1, 2 et 3

les formats longs ne sont utilisés que dans la bande FR1. Les formats 0 et 1 sont similaires aux formats 4G (préambule long format 0 et format 2). Les caractéristiques sont :

  • la longueur de la séance est de 839 bits ;
  • l’espacement de la sous-porteuse est de 1.25 kHz pour les formats 0,1,2 et 15 kHz pour le format 3. Dans ce cas, 6 RB sont utilisés dans le premier cas et 24 RB dans le second cas ;
  • Le facteur 1, 2 et 4 pour Nu correspond au nombre de répétitions.

Table 3 : Les formats PRACH 0 à 3 pour la 5G*

K est le facteur d’échantillonnage k=Ts/Tc avec la fréquence d’échantillonnage Fs=30.72 MHz et Tc=1/(SCS_max.Nfft). Pour l’interface radio 5G-NR l’espacement SCS maximal est de 480 kHz et le nombre d’entrée FFT est de 4096.

Fc=1.966080 GHz (1966080 kHz)

Format 0 :

CP length(Tcp) = 3168*k échantillons = 3168*64 *Tc sec = 3168*Ts ms = 3168/30720 = .1031 ms
sequence length (Tseq) = 24576*k échantillons = 24576*64*Tc= 24576/30720 =.800 ms

Format 1 :

CP length(Tcp) = 21024/30720 = .6844 ms
sequence length (Tseq) = 2*24576*k échantillons =1.6 ms

Format 2 :

CP length(Tcp) = 21024/30720 = .6844 ms
sequence length (Tseq) = 2*24576*k échantillons =1.6 ms

Format 3 :

CP length(Tcp) = = 3168/30720 = .1031

sequence length (Tseq) = 4*6144*k échantillons =0.8 ms

a) Les formats courts : Formats A1, A2, A3, A4, B1, B2, B3, B4, C0, C2

Les formats cours sont constitués de 139 bits, et l’espacement entre porteuses dépend de la numérologie (15 kHz ou 30 kHz pour la bande FR1 et 60 kHz ou 120 kHz dans la bande FR2).

Table 4 : Les formats PRACH court pour la 5G

Exemple du format A1 :

CP length(Tcp) = 288*k *(2^-μ) samples = 288*64 *1 samples =288/30720 = .009381 ms

sequence length (Tseq) = 2*2048*k*(2^-μ) samples = 2*2048*64 samples =(2*2048*/30720) ms = .1334 ms

Figure 5 : Le format A1 du canal PRACH

Figure 6 : Les formats du canal PRACH

Référence :