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

 

Allocation de ressources et scheduling

Dans cet article nous allons voir la signalisation émise par l’eNb pour informer l’UE de la taille du bloc de transport (TBS) alloué à l’UE pour transmettre ses données utiles (payload). La taille dépend de la qualité du lien radio (renseigné par l’UE via le CQI) et des ressources allouées par l’eNb à l’UE (scheduling).

Nous ne nous intéresserons pas ici à la procédure de scheduling mais uniquement à l’échange de signalisation pour informer l’UE de la taille et des ressources allouées pour transmettre ses données.

Allocation de ressources

La trame physique du LTE est partagée entre tous les utilisateurs, et nécessite la transmission de signalisation 4G sur des ressources blocs commun aux UES allouées au canal physique nommé  PDCCH* et l’échange de données sur des RB specifiques avec un format de modulation et de codage imposée par l’eNb et qui dépend des conditions radios.

Le mapping physique LTE (cf http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2013/08/27/rsrp-et-rsrq/) rappelle la répartition des ressources en temps et en fréquence entre utilisateurs et la disposition de RB spécifique pour la gestion des ressources.

L’UE doit donc attendre l’ordre spécifiant :

  • Le Time Slot sur lequel il va recevoir/émettre des données
  • Le RB (les blocs de fréquence) sur lequel il va recevoir/émettre des données
  • Le schéma de codage et de modulation (MCS) pour démoduler/moduler les données
  • La puissance d’émission

*Le canal PDCCH est le canal physique de contrôle dans le sens descendant qui porte les informations permettant à  l’UE de connaître les ressources qui lui sont allouées dans cette sous-trame (position des RB, format MCS) et des informations de contrôle permettant à l’UE de connaître les ressources et le schéma de modulation qu’il utilisera 4 TTI plus tard pour émettre ses données vers l’eNb.

Alloc_ressource_fig1

Figure 1 : Schéma général d’un échange d’information de contrôle

L’eNb doit donc transmettre de nombreuses informations vers chaque UE par un message nommé DCI  (Downlink Control Information). Le DCI est transmis soit à un groupe d’UE, soit spécifiquement à un UE afin de lui porter à connaissance l’attribution des ressources pour la transmission de ses données (payload). Dans ce cas, l’information portée par le PDCCH (et transmis en broadcast) est destiné à un seul UE. Pour savoir si le PDCCH lui est destiné, l’UE doit décoder le CRC avec ses identifiants RNTI (P-RNTI, C-RNTI, SPS-RNTI, RA-RNTI).  Toutefois, l’eNb doit aussi transmettre des informations systèmes destinées à plusieurs UE simultanément donnant ainsi des règles d’allocation suivant le mode de transmission de l’UE (la classe du terminal permet de définir ses capacités notamment sur la diversité de transmission, de réception et le MIMO). Dans ce cas, le CRC du PDCCH est codé avec la valeur du SI-RNTI.

Puisqu’un mobile ne peut deviner si un PDCCH lui est transmis, chaque UE qui n’est pas dans l’état discontinue (DRX) décode sur la sous-trame correspondante l’ensemble des CRC en fonction de ses identifiants RNTI. La taille allouée pour le PDCCH est néanmoins connue par le mobile sur un espace de recherche dit espace de recherche commun et son emplacement est toujours situé sur les premiers symboles OFDM. Quant à sa taille, elle est formée par l’agrégation de 1,2, 4 à 8 CCE sur lequel l’eNb transmettra respectivement 8 PDCCH, ou 4 ou 2 ou 1 (selon le format du PDCCH c’est  dire à la quantité d’information à transmettre). Sur l’espace de recherche commun, l’eNb transmet des informations système (SI-RNTI).

Lorsque le PDCCH est spécifique à un UE, on parle alors d’espace de recherche spécifique. L’emplacement de ce dernier est défini en fonction du RNTI de l’UE et du numéro de trame. Lorsque l’UE a reconnu un PDCCH spécifique, il répond en retour sur le PUCCH ou PUSCH. Il informe notamment  l’eNb de la qualité du lien radio via l’indication de la qualité du canal nommé CQI, ce qui permet à l’eNb d’adapter les paramètres de transmission à savoir :

  • L’efficacité du code correcteur.
  • Le type de modulation (QPSK, 16 QAM, 64 QAM).
  • Dans le cas du MIMO, les indicateurs RI et PMI.

Pour satisfaire aux différents besoins, il existe plusieurs formats DCI spécifiant le type d’information à transmettre (de taille par conséquent différent, ce qui revient à une allocation en terme de CCE différent) et décrites dans la norme 3GPP R8/R10 :

  • DCI Format 0 est utilisé pour informer l’UE de l’allocation des ressources sur la voie montante
  • DCI Format 1 est utilisé pour informer l’UE de l’allocation des ressources de la voie descendante lorsqu’il y a une diversité de transmission (MISO ou MIMO rank 1)
  • DCI format 2 est utilisé pour informer l’UE de l’allocation des ressources de la voie descendante pour le MIMO.
  • DCI format 3 est utilisé pour la transmission des commandes de contrôle de puissance (TPC commande) pour le canal de la voie montante.
  • DCI format 4 est utilisé pour informer l’UE de l’allocation des ressources sur la voie montante dans le cas MIMO

 

Pour un format donnée, les informations transmises dépendent du type de RNTI (P-RNTI, C-RNTI, RA-RNTI, …) et du mode de transmission. Ainsi , en se basant sur le mode de transmission,  la norme précise des sous-formats :

Alloc_ressource_tab1Tableau 1 : Format DCI et informations transmises

Nous avons précédemment dit que le PDCCH était décodé selon l’identifiant RNTI. Pour faire une synthèse, le tableau 2 reprend selon l’état du mobile (connecté, en veille)la liste les formats DCI correspondant en fonction du type d’identifiant :

Alloc_ressource_tab2Tableau 2 : Correspondances entre le type RNTI et les formats DCI compatibles

Entre la Release 8 et la Release 10, le 4ème format est apparu. Ce dernier est utilisé pour informer l’UE de l’allocation des ressources sur la voie montante en utilisant le multiplexage spatial, ce qui nécessite donc de transmettre davantage d’informations comparé au DCI format 0.

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Tableau 3 : Les différents formats selon la release

Mais, ce n’est pas la seule différence, car en effet, la R10 traite du LTE-Advanced laquelle autorise l’agrégation de plusieurs bandes de fréquences et par conséquent chaque format du R10 comporte un champ supplémentaire précisant la porteuse concernée.

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Tableau 4  : Les différents champs concernant les informations portées par le DCI selon la release pour le format 0

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Tableau 5  : Les différents champs concernant les informations portées par le DCI selon la release pour le format 2

 

 

Exemple

Alloc_ressource_fig2

Figure 2 : Exemple issu du site http://niviuk.free.fr/lte_dci_decoder.html

Le tableau donne des informations concernant la valeur hexadécimales du DCI. En remplaçant 2584A800 par 2585A800, la modulation est une 64QAM

(Cf Specification ETSI 3GPP TS 36.213 R8, Table 7.1.7.2, http://www.qtc.jp/3GPP/Specs/36213-920.pdf, la table TBS donne la taille 9144 à la ligne 22, colonne 18)

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Figure 3 : Exemple issu du site http://niviuk.free.fr/lte_dci_decoder.html

 

Comme dernier exemple, je vous propose de découvrir les informations contenues dans le PDCCH spécifiant le niveau de puissance

Alloc_ressource_fig4

 

Ref : http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/tag/pdcch/ pour calculer le nombre maximum d’UE pouvant simultanément échanger des données avec l’antenne et le nombre maximum d’UE pour la VoLTE

http://www.sharetechnote.com/html/DCI.html

http://nitintayal-lte-tutorials.blogspot.fr/2013/05/all-about-pdcch-and-cce-allocation.html