Part 2 : Interface Radioélectrique 5G – Trames, numérologies et allocation de ressources

Extrait du livre : NG-RAN et 5G-NR : L’accès radio 5G et l’interface radioélectrique – sortie prévue juillet 2021

Suite de l’article précédent

2) Les informations de contrôles DCI et les paramètres k0,k1 et k2

Nous allons nous intéresser dans cet article uniquement à l’allocation de ressource lorsque le mobile est à l’état connecté.

Dans cet état, la station de base alloue les ressources radioélectriques pour le lien descendant et le lien montant via les informations de contrôles DCI format 1_0 et DCI format 1_1 (Downlink Control Information).

Le message DCI pour le format 1_0 et 1_1 porte 4 bits d’allocation permettant d’informer le mobile de la réception de données dans le domaine temporel (‘time domain resource assignment’).

Les 4 bits font référence à une ligne d’un tableau de 16 valeurs. Chaque ligne donne 3 informations :

  • un décalage en slot K entre l’information DCI et la position du slot contenant le canal de trafic descendant PDSCH ;
  • la valeur SLIV indiquant le nombre de symboles S séparant le début du slot contenant le canal PDSCH et le premier symbole du canal PDCH et indiquant la longueur L du canal PDSCH ;
  • l’association du signal de référence DMRS avec le canal PDSCH (‘PDSCH mapping type’). Il existe deux types d’allocation nommée TypeA et Type B.

Figure 4 : L’allocation de ressource par rapport au signal de contrôle DCI [1]

Le paramètre K1 permet d’indiquer le décalage en nombre de slots entre le slot du canal PDSCH et le slot d’acquittement sur le lien montant.

 

Figure 5 : L’allocation des ressources pour l’acquittement de la part du mobile du message reçu en provenance de la station de base [2]

La valeur K1 est transmise dans le champ PDSCH-to-HARQ-timing-Indicator fourni par le message DCI sur 3 bits. Les 3 bits donnent la position de la valeur K1contenu dans le vecteur dl-DataToUL-ACK.

A titre d’exemple, si la valeur DCI=010, et le vecteur dl-DataToUL-ACK est le suivant

dl-DataToUL-ACK {  8,  6,  4,  12 }

Dans ce cas, la valeur K1= 4 (010 est la 3ème position). Se référer à la table 9.2.3-1 « Mapping of PDSCH-to-HARQ_feedback timing indicator field values to numbers of slots » [3]

Le vecteur dl-DataToUL-ACK est contenu dans l’élément d’information de configuration du PUCCH (PUCCH Config IE). Cette valeur est transmise lors du message SIB1 dans le champ tdd-UL-DL-ConfigurationCommon ou lors d’un message de configuration RRC dans le champ tdd-UL-DL-ConfigurationDedicated.

Enfin, la valeur K2 correspond au décalage en nombre de slots entre la réception de l’information DCI et l’allocation des ressources dans le domaine temporel pour le canal de trafic montant PUSCH.

Figure 6 : L’allocation des ressources pour le lien montant (PUSCH) [2]

[0] Extrait du livre : NG-RAN et 5G-NR : L’accès radio 5G et l’interface radioélectrique

[1] http://howltestuffworks.blogspot.com/2019/12/5g-nr-pdsch-resource-allocation-in-time.html

[2] https://www.linkedin.com/pulse/5g-nr-k0k1-k2-time-domain-dl-ul-resource-allocation-naveen-chelikani/

Part 1 : Interface Radioélectrique 5G – Trames, numérologies et allocation de ressources

Extrait du livre : NG-RAN et 5G-NR : L’accès radio 5G et l’interface radioélectrique – sortie prévue juillet 2021

A l’instar de la 4G, l’interface radioélectrique 5G-NR utilise la modulation OFDM puisque celle-ci se révèle être la plus efficace dans le cas des transmissions multi-trajets (propagation en champs libre).

La modulation OFDM est une modulation multi-porteuses orthogonales, elle transmet un bloc de données binaires sur un grand nombre de porteuses en même temps. On définit ainsi le domaine fréquentiel de la transmission 5G par la largeur de sa bande de fréquence, c’est-à-dire par le nombre de sous-porteuses utilisées multiplié par l’espacement entre sous-porteuses.

L’orthogonalité se traduit par la durée de la transmission d’un symbole qui est inversement proportionnelle à l’espacement entre sous-porteuses. Ainsi, si les sous-porteuses sont espacées de 15 kHz, la durée de la transmission d’un symbole est de 66,67 µs (1/15 kHz).

Figure 1 : La transmission OFDM

Le bloc de données à transmettre est une suite binaire. La modulation OFDM permet de faire une modulation M-QAM sur chacune des porteuses.

A titre d’exemple, pour une modulation 64-QAM, 6 bits sont modulés par sous-porteuse. Les 6 bits forment un symbole.

Une station de base 5G peut moduler au plus 3300 sous-porteuses. Si les sous-porteuses sont espacées de 30 kHz alors la largeur de bande 5G est de 99 MHz et la durée d’un symbole est de 33,33 µs.

Ainsi, si la station de base transmet le bloc de données sur 3300 sous-porteuses simultanément, alors dans le cas d’une modulation 64-QAM, la station de base gNB pourrait potentiellement transmettre 3300*6 = 19 800 bits pendant la durée d’un symbole de 33,33 µs.

Si le bloc de données à transmettre est supérieur à 19 800 bits, alors la station de base va émettre les bits restants sur le(s) symbole(s) suivant(s) (33,33 µs suivante).

La modulation OFDM est donc une modulation qui exploite le domaine fréquentiel (nombre de sous-porteuses) et le domaine temporelle (durée d’un symbole).

Pour la 5G, on définit :

  • dans le domaine fréquentiel, un bloc de ressource RB (Resource Bloc) qui correspond à 12 sous-porteuses contiguës ;
  • dans le domaine temporel, un slot correspond à 14 symboles consécutifs.

Afin d’organiser la transmission de données, et synchroniser les récepteurs, les transmissions en liaison descendante et montante sont organisées en trames d’une durée de 10 ms, chacune est découpée en dix sous-trames de 1 ms. Chaque trame est divisée en deux demi-trames de taille égale à cinq sous-trames :

  • la demi-trame 0 est composée des sous-trames 0 à 4 ;
  • la demi-trame 1 est composée des sous-trames 5 à 9.

Pour l’interface LTE, la sous-trame est composée de deux intervalles de temps (slot). Attention, la notion de slot en 4G est différente de la notion de slot en 5G : un slot LTE correspond à 7 symboles OFDM consécutifs (trame normale) de durée 0,5 ms. La valeur de l’intervalle de temps de transmission 4G-TTI (Transmission Time Interval) correspond à la durée de la sous-trame et a une valeur fixe égale à 1 ms car l’espacement entre sous-porteuse est de 15 kHz.

Pour l’interface NR, le slot est composé de 14 symboles OFDM consécutifs (trame normale).  La valeur de l’intervalle de temps de transmission 5G-TTI correspond à la durée d’un slot. La valeur 5G-TTI dépend de l’espacement entre les sous-porteuses (tableau 1).

Tableau 1 : La structure de la trame temporelle

L’espacement entre sous-porteuses SCS (SubCarrier Spacing) est défini par la formulation suivante :

SCS=2µ*15 kHz, avec µ la numérologie.

Si µ=0, l’espacement est de 15 kHz, si µ=1 l’espacement est de 30 kHz, … Dans la suite, on parlera de numérologie.

1) La grille de ressources

 

Figure 2 : La grille de ressources

Un élément de ressource RE (Resource Element) constitue la plus petite unité pouvant être attribuée à un signal de référence (figure 1). L’élément de ressource RE correspond à un symbole OFDM dans le domaine temporel, et à une sous-porteuse dans le domaine fréquentiel. Il est ainsi repéré par la paire (k,l), k représentant l’indice de la sous-porteuse et l, l’indice du symbole OFDM dans le domaine temporel par rapport à un point de référence relatif.

Le bloc de ressource RB (Resource Block) correspond à une allocation de N=12 sous-porteuses contiguës (figure 1). A la différence de la 4G, le bloc de ressource RB 5G correspond à une allocation fréquentielle.

La grille de ressources est une allocation de ressources tempo-fréquentielles correspondant aux ressources d’un port d’antenne. Elle est constituée d’un ensemble de symboles par sous-trame (cf. tableau 2) dans l’espace temporel et d’un ensemble de sous-porteuses contiguës dans le domaine fréquentiel. La grille de ressources est composée d’au plus 3300 sous-porteuses et elle est transmise sur chaque sens de transmission et sur chaque port d’antenne.

Table 2 : Numérologie et nombre de symboles par sous-trame

Pour mieux comprendre la table 2, nous allons présenter la numérologie dans le domaine temporel sur la figure 3.

Figure 3 : La trame temporelle 5G-NR

Une trame 5G est définie par une durée de 10 ms. La trame 5G est découpée en 10 sous-trames d’une ms. Chaque sous-trame est composé de slots. Le nombre de slot par sous-trame dépend de l’espacement entre sous-porteuses (table 2 : numérologie).

 

[0] Extrait du livre : NG-RAN et 5G-NR : L’accès radio 5G et l’interface radioélectrique

L’allocation de bande 5G à 3.5 GHz

Le 12 novembre 2020, l’ARCEP a attribué les bandes de fréquences 3.5 GHz aux différents opérateurs (figure 1).

Figure 1 : La répartition des fréquences 5G

Une seule bande est représentée car la bande de fréquence 5G à 3.5 GHz utilise une méthode de duplexage en temps (TDD).

La méthode de duplexage TDD a deux principaux avantages :

  1. améliorer la gestion des faisceaux par rapport à la méthode FDD. Le fonctionnement Massive-MIMO permettant de s’appuyer sur les estimations du canal en réception pour mettre en oeuvre un codage analogique au niveau des antennes de transmission dans le but d’orienter le faisceau dans une direction donnée (se référer à l’article Massive MIMO : Fonctionnement (Troisième Article) avec des algorithmes comme MMUSIC ou ESPRIT.
  2. augmenter le débit descendant au dépend du débit montant en proposant plus d’allocation temporelle pour le sens descendant par rapport au sens montant. Dans le cas de la 5G, le rapport est de  4 slots pour le sens descendant contre un slot pour le sens montant.

La répartition des slots proposée par l’ARCEP suit la recommandation ECC 20(03), adoptée en octobre 2020. Cette recommandation limite le nombre de trames 5G aux deux formats suivants :

  • DDDSUUDDDD / DDDDDDDSUU+3ms
  • DDDSU

D pour Downlink, U pour Uplink, S est une sous-trame spéciale permettant la commutation du sens de transmission D vers U.

Le premier choix présente l’avantage d’une compatibilité avec la structure de trame LTE utilisée par les réseaux français.

Le deuxième choix n’est pas  compatible avec le LTE.

Ces deux trames, incompatibles entre elles, vont nécessiter de nouvelles fonctionnalités pour éviter les brouillages aux frontières comme le « DL Blanking ».

Figure 2 : Les modes de duplexage en Europe

La solution « DL symbol blanking » consiste à neutraliser les intervalles de temps (sous-trames) d’émission des stations (« D ») lorsque ces sous-trames sont simultanés avec les créneaux de réception (« U ») du réseau voisin. Il faut pour cela que les opérateurs partagent la même horloge (UTC +/- 1.5µs) et alignent chaque début de trame.

La figure ci-dessous illustre cette solution pour les deux trames retenues pour l’instant. Les trames originelles sont tout en haut et tout en bas de la figure. Dans les trames adaptées, au centre de la figure, les émissions « D » sont supprimées (en rouge) lorsqu’elles coïncident avec la réception « U » dans le pays voisin.

Figure 3 : La gestion des interférences entre pays

Si la bande 3,5 GHz est définie comme la vrai 5G, les opérateurs peuvent également utiliser la bande de 2,1 GHz. Celle-ci ne dispose cependant pas d’une largeur de bande suffisante pour apporter les mêmes débit que la 5G. Toutefois, la couverture et la pénétration indoor est meilleure par rapport à la bande de 3.5 GHz.

 

E2E Network Slicing : le découpage du réseau de bout en bout (Partie 3)

Voici la troisième et dernière partie

E2E Network Slicing : le découpage du réseau de bout en bout (Partie 1)

E2E Network Slicing : le découpage du réseau de bout en bout (Partie 2)

IV) La virtualisation de l’accès radio

IV-1) Description des fonctionnalités de la station de base

Le découpage du réseau est une tranche de bout en bout comme le montre la figure 13.

Figure 13 : Le découpage du réseau de bout en bout.

Les fonctionnalités réseaux sont partagées au niveau du cœur de réseau (SNI CN) et de l’accès radioélectrique (SNI RAN). Nous allons maintenant nous intéresser au découpage sur l’infrastructure radioélectrique et à la gestion de ressources.

Une station de base 5G réalise les tâches suivantes :

  • fonction RRM pour la gestion de ressources radioélectriques : Contrôle du support radioélectrique, contrôle d’admission radioélectrique, contrôle de la mobilité pour les mobiles connectés, allocation dynamique des ressources radioélectriques dans le sens montant et descendant (ordonnancement) ;
  • compression d’entêtes IP, chiffrement et intégrité des données ;
  • sélection de la fonction AMF lors de l’attachement du mobile ;
  • routage des données du plan de transport dans un tunnel ;
  • routage des informations de signalisation vers la fonction AMF ;
  • établissement et libération de la connexion ;
  • mesures radioélectriques et configuration du rapport de mesures demandé au mobile ;
  • ordonnancement et transmission des informations de diffusions SIB (System Information Block);
  • marquage des paquets dans le sens montant (étiquettes DSCP) ;
  • gestion des sessions ;
  • support du découpage en tranche de réseaux ;
  • gestion de la QoS et correspondance entre les flux IP provenant du plan de transport UPF en support radioélectrique ;
  • partage de l’accès radioélectrique ;
  • gestion de la double connectivité ;
  • interfonctionnement entre les fonctions 5G-NR et 4G-LTE.

Pour réaliser ces tâches, la station de base s’appuie sur la pile protocolaire présentée sur la figure 14. La station de base 5G peut également se décomposer en deux unités : une unité centralisée gNB-CU et une unité distribuée gNB-DU).

Figure 14 : Présentation de la pile protocolaire de la station de base 5G

La spécification 3GPP propose le découpage du plan de contrôle (RRC) et du plan de trafic IP (SDAP). La signalisation et les données sont gérées par la couche de niveau 2 décomposée en trois sous-couches : PDCP, RLC, MAC et par la couche physique.

La couche physique réalise la modulation et la démodulation de données des signaux sur l’interface radioélectriques.

Le rôle de la sous-couche MAC est de faire :

  • la correspondance entre les canaux logiques et les canaux de transport ;
  • le multiplexage/démultiplexage des unités de données MAC SDU en provenance d’un canal logique ou de plusieurs canaux de transport (TB) ou de plusieurs canaux de transport à destination des canaux logiques ;
  • la correction d’erreur rapide HARQ ;
  • la gestion de priorité entre les mobiles ;
  • la gestion de priorité sur les canaux logiques pour un mobile.

Le rôle de la sous-couche RLC est de faire :

  • le transfert des paquets PDU issu de la couche supérieure ;
  • une numérotation des séquences RLC pour le mode sans acquittement UM et avec acquittement AM;
  • la correction d’erreur ;
  • la segmentation/re-segmentation des données ;
  • la détection d’erreur (pour le mode AM).

Le rôle de la sous-couche PDCP est de faire pour le plan utilisateur :

  • la numérotation de séquence ;
  • la compression et décompression d’entête ;
  • le transfert des données ;
  • la détection des paquets dupliqués et la mise en ordre ;
  • le routage des bearer PDCP PDU dans le cas de la double connectivité ;
  • le chiffrement/déchiffrement et la protection d’intégrité;
  • le rétablissement des données PDCP et la récupération des données pour le mode RLC ;
  • la duplication des paquets PDCP PDU.

Le rôle de la sous-couche SDAP est :

  • la correspondance entre la QoS d’un flux IP et le support radioélectrique ;
  • le marquage de l’identité de la QoS sur les paquets UL.

Le partage de la station de base gNB en deux unités gNB-DU et gNB-CU est spécifié par le standard 3GPP lequel propose différentes options. Toutefois actuellement le gNB reste mono-constructeur même en cas de découpage en deux sous unités gNB-CU et gNB-DU.

Les différentes options sont proposées sur la figure 15 :

Figure 15 : Le découpage des fonctions du gNB

A titre d’exemple, on pourrait imaginer le découpage suivant :

Figure 16 : Un découpage du gNB

Actuellement (standard R.15) l’unité gNB-CU est composée de la sous-couche RRC/SDAP et PDCP, l’unité gNB-DU est composée des sous-couches RLC et MAC et physique. Mais les autres partages de fonctions décrites sur la figure 11 peuvent virtuellement être mise en œuvre.

La couche physique a pour rôle de transférer le signal issu de la couche MAC (le bloc de transport) en un signal RF et inversement récupérer un signal RF pour l’envoyer vers la couche MAC.

La couche physique se compose de plusieurs fonctions :

  • code détecteur d’erreurs CRC ;
  • code correcteur d’erreur et adaptation de débit ;
  • embrouillage ;
  • modulation ;
  • affectation des symboles par sous-couches antennaires ;
  • précodage numérique ;
  • affectation des signaux et canaux sur chaque élément de ressources ;
  • transformée de Fourier Discrète et insertion d’un préfixe cyclique ;
  • chaîne RF (convertisseur CNA, conversion RF, amplification).

Les signal RF est envoyé à l’antenne.

La tête radioélectrique déportée (RRH) correspond à la chaîne RF. Pour la 4G, l’entité eNB se composait de deux parties : BBU et RRH. Cette option est maintenue pour la 5G (option 8) toutefois, le débit du bus série CPRI (Common Public Radio Interface) qui transporte les symboles I/Q est d’autant plus élevé que :

  • la bande de fréquence est importante (cellule principale et secondaire en cas d’agrégation de porteuses) ;
  • le nombre d’antennes est élevé (FD-MIMO ou Massive MIMO).

Pour réduire le débit entre le gNB-DU et la tête radioélectrique déportée, il est également prévu de proposer un découpage au niveau de la couche physique différent (figure 17) :

Figure 17 : Les options de décomposition de la station de base gNB

Le transport des données sur les interfaces optionnelles est normalisé par le protocole eCPRI  (evolved Common Public Radio Interface) et est véhiculé sur une fibre optique.

La gestion des ressources radioélectrique (protocole RRM) est réalisée par la station de base gNB. La gestion des ressources radioélectrique a pour objectif :

  • de gérer le spectre de fréquence : cette fonction décide comment les ressources spectrales sont réparties en porteuses 5G-NR et comment ces porteuses sont allouées aux différents site;
  • de gérer l’interférences entre cellules (mécanisme ICIC). Dans la continuité de la gestion du spectre, le mécanisme ICIC impose une puissance limitée sur un ensemble de sous-porteuses afin d’éviter les interférences avec un point de transmission voisin utilisant les mêmes sous-porteuses ;
  • d’ordonnancer les paquets : cette fonction décide, pour chaque porteuse 5G-NR affectée à une cellule, quelles sont les ressources bloc (RB) disponibles pour transférer les paquets sur chaque bearer radioélectrique établi ;
  • de réaliser les fonctions liées à la prise en charge radioélectrique tels que le contrôle de bearer, le contrôle d’admission radioélectrique, le contrôle de la mobilité (lorsque le mobile est en mode connecté).

L’implémentation logicielle de la partie RRM n’est pas du ressort de la 3GPP, c’est pour cela qu’il n’est pas envisageable d’avoir une unité gNB-CU et gNB-DU de deux équipementiers différents.

IV-2) La virtualisation de la station de base : C-RAN

Le point de départ consiste à respecter le contrat SLA et d’apporter la QoE défini par le contrat. Ce contrat peut concerner la QoS pour un utilisateur. Toutefois, la virtualisation et l’isolation des slices permet à l’opérateur de louer les services de la station de base à des opérateurs virtuels ou à des entreprises.

Pour des entreprises privées, cela revient à mettre en place un DAS et la station de base est uniquement dédiée à l’entreprise.

Pour les opérateurs, il est possible de faire un partage de l’accès radioélectrique (Shared RAN) connecté directement au cœur réseau des différents opérateurs (MOCN : Multi-operator Core Network).

Jusqu’à présent, les stations de base étaient des entités physiques (PNF) installées au niveau de l’antenne. Ainsi, la gestion du spectre (contrôle d’admission, séquencement), la gestion des acquittements (HARQ/ARQ), le chiffrement étaient réalisés localement.

Dans le cas où l’entité est physique (PNF) alors les ressources matérielles de la station de base (CPU/RAM/Carte réseaux) doivent gérer les différents services (eMBB/mMTC pour la 4G).

Le découpage de la station de base en deux unités permet de mieux allouer les ressources matérielles aux fonctions protocolaires de la station de base. Excepté la tête radioélectrique déportée, les fonctionnalités de la station de base gNB-CU et gNB-DU sont toutes virtualisables.

La virtualisation est demandée par le support opérationnel OSS/BSS qui utilise le gabarit NST du slice pour imposer à l’orchestrateur (MANO ou ONAP) de gérer le cycle de vie dans l’instance virtuelle.

L’alliance O-RAN  portée par les opérateurs propose une normalisation (figure 18) sur la gestion du slice RAN. L’orchestrateur dispose d’un contrôleur SDN nommé RIC non-RT (RAN Intelligent Controller non Real Time) permettant de configurer le déploiement, la mise en échelle ou le relâchement de la sous-instance radioélectrique par un découplage du plan de contrôle et du plan utilisateur.

Figure 18 : Le fonctionnement du Cloud-RAN

La virtualisation du RAN est réalisée en suivant le protocole NFV de l’ETSI. Nous n’aborderons pas ici les solutions OpenSource existantes (OPNFV, OpenStack, QEMU, …).

Pour l’alliance O-RAN,

  • Le RIC non-RT a pour objectif le respect du SLA et de la supervision en gérant le déploiement, la mise à l’échelle ou la libération des sous-couches de virtualisations radioélectrique SNI.
  • Le contrôleur RIC near RT gère les ressources radioélectrique (fonctionnalités RRM) en proposant un découpage fonctionnel entre l’unité gNB-CU et les entités gNB-DU.

La configuration des gNB permet de définir la liste des services S-NSSAI supportés par le gNB par une procédure de configuration du paramétrage des stations de base (cf. figure 8). Cette phase de provisionning est gérée au moment de la création du slice radioélectrique (figure 19).

Figure 19 : La configuration des slices supportées par les gNB

Lorsque le gNB s’active, il informe la fonction AMF de l’ensemble des slices supportés avec la localisation TAC correspondante. Si la station de base est connectée à plusieurs fonctions AMF, alors elle transmet l’information à toutes les fonctions AMF. Chaque fonction AMF l’informe en retour des services S-NSSAIs supportés par la fonction AMF.

Au niveau du gNB, le découpage entre le gNB-DU et le gNB-CU est ordonné au niveau du contrôleur RIC-near RT. Un descripteur de slice permet de définir les fonctions gérées au niveau de chaque unité (gNB-CU et gNB-DU).

Une entité gNB peut supporter plusieurs slices. Le découpage entre gNB-CU et le gNB-DU est identique pour chaque slice par contre les fonctions utilisées sur chaque sous-couches peuvent être communes ou spécifiques. Par exemple, il est possible de définir un slice pour les terminaux statiques et de désactiver la fonction handover pour ce slice.

Figure 20 : La mise en place de plusieurs slices au niveau d’un gNB

On définit ainsi le comportement attendu pour chaque sous-couche et lorsque le mobile fera une demande de connexion radioélectrique, le message RRC transmis du mobile à l’entité gNB-CU contiendra l’information S-NSSAI du slice demandé. Ainsi, lors de la connexion radioélectrique, l’entité gNB créera un context UE avec le numéro de slice correspondant (figure 21).

 

Figure 21 : L’identification du slice

IV-3) Exemple de C-RAN

L’objectif de la virtualisation consiste à répartir la charge sur différents serveurs en fonction de la QoE demandée.  Ainsi :

  • Pour les terminaux IoT, la station de base devant couvrir une superficie sur laquelle on peut avoir 1 million d’IoT par km2 (ce chiffre est la limite haute du standard), les ressources matérielles de la station de base peuvent rapidement saturer si, il y a un réveil en cascade des terminaux IoT, ou si plusieurs terminaux sont dans le mode RRC_Inactive, ou … Il est donc recommandé de déporter les fonctions suivantes vers un DataCenter (DC) :
    • contrôle RRC de chaque terminal IoT ;
    • chiffrement/déchiffrement ;
    • segmentation, contrôle d’erreur ARQ ;
    • multiplexage, contrôle d’erreur HARQ.

En contrepartie, le fait de déporter les calculs vers le DataCenter va avoir comme incidence d’augmenter la latence, ce qui n’a aucune importante pour les terminaux IoT HLCom (High Latency Communication). En effet, la QoS pour le service IoT n’est pas la latence mais la problématique est la gestion d’un nombre très élevé de terminaux (mMTC :massive MTC).

  • Pour les smartphones eMBB, la station de base doit offrir des services avec une latence d’environ 10 ms pour le plan de trafic et 100 ms pour le plan de transport. On peut donc envisager un découpage avec l’unité gNB-CU au niveau du point de présence (PoP) sur lequel l’opérateur déploie des lames de serveurs (mini Data Center nommé MEC – Multi-access Edge Computing). Ainsi :
    • l’entité gNB-CU gère la couche RRC/PDCP haute ;
    • l’entité gNB-DU au niveau de la station de base gère les sous-couches PDCP base, RLC, MAC et physique.
  • Pour les communications critiques (URLLC et V2X), afin de réduire la latence, tout le traitement du gNB s’effectue au niveau local (près de l’antenne).

Toutefois, le mobile n’est pris en charge que par une seule paire gNB-CU et gNB-DU, le choix du gNB-CU s’effectue par rapport aux paramétrages radioélectrique du mobile sur le module USIM (PLMN), c’est-à-dire par la sélection d’un PLMN.

La tranche de réseau par PLMN est identifiée par un indicateur de slice Slide ID NSSAI. Les slices gérés par le PLMN sont stockés au niveau du gNB-CU.

L’exemple (figure 22) ci-dessous est extraite de l’article [ferrus] :

Figure 22 : Déploiement 5G-NR

La figure présente 2 PLMN différents, PLMN#A et PLMN#B.

Le PLMN#A est géré par une entité gNB monolithique déployée sur un MEC du PoP #1 puisqu’on est sur une infrastructure légère (LW NFVI)

Le PLMN#B est géré par une unité gNB-CU qui est située sur le DC du PoP #2. L’unité gNB-CU est connectée à deux unités gNB-DU, une située sur le MEC PoP#1 et l’autre sur le MEC #PoP3.

Lorsque le mobile s’allume, il cherche le PLMN correspondant, soit le PLMN#A soit PLMN#B.

On peut supposer que le PLMN#A est dédié pour l’IoT sur une bande de fréquences à 700 MHz (@RF Carrier#1), la zone de couverture est étendue (NR Cell#1). Lorsque le terminal s’allume, il scanne une fréquence basse et cherche le PLMN #A. Une fois synchronisé, il fait une demande de connexion radioélectrique avec le gNB#1.

Le PLMN#B exploite une bande de fréquence @RF Carrier#2 sur deux cellules NR Cell#2 et NR Cell#3. Lorsque le smartphone s’allume, il scanne la bande de fréquences et une fois synchronisée il fait une demande de connexion auprès du gNB-CU. Selon sa position, il fait la demande auprès du gNB-DU du PoP#1 ou du PoP#3.

Conclusion

Le découpage du réseau en tranche est constitué de deux sous instances virtuelles (NSI), une sous-instance au niveau du cœur de réseau et une sous-instance au niveau de l’accès radioélectrique.

Le mobile est enregistré sur une seule fonction AMF mais peut activer plusieurs slice simultanément. Au niveau accès radioélectrique, le mobile est géré par un unique gNB.

La figure 23 est issue d’une documentation NoKia et réprésente le découpage du réseau 5G.

La figure 24 est issu d’une documentation Samsung et réprésente le découpage du réseau, l’orchestration de bout en bout. Ce document reprend donc l’ensemble des fonctionnalités et le découpage du réseau décrit dans cet article.

Figure 23 : Un découpage de réseau de bout en bout [Nokia]

Figure 24: Un découpage de réseau de bout en bout [Samsung]

References :

Liens 3GPP :

3GPP TS 28.530 V16.1.0 : Management and orchestration; Concepts, use cases and requirements

3GPP TS 38.300 : NR; NR and NG-RAN Overall Description; Stage 2, Release 16

  • http://www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/38_series/38.300/38300-g10.zip

3GPP TS 23.501 V16.1.0 : System architecture for the 5G System (5GS); Stage 2, Release 16

3GPP TS 29.510 V15.1.0 : 5G System; Network function repository services; Stage 3, Release 15

3GPP TS 29.531 V15.1.0 : 5G System; Network Slice Selection Services; Stage 3, Release 15

3GPP TS 28.500 : Management concept, architecture and requirements for mobile networks that include virtualized network functions, Release 15

3GPP TS 24.501 : Non-Access-Stratum (NAS) protocol  for 5G System (5GS); Stage 3;             (Release 16)

  • http://www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/24_series/24.501/24501-g41.zip

3GPP TS 21.915 : Release Description ; Release 15

 

ETSI

Article

[ferrus] R. Ferrús, O. Sallent, J. Pérez-Romero, R. Agustí , « Management of Network Slicing in 5G Radio Access Networks: Functional Framework and Information Models ».

https://www.opennetworking.org/images/stories/downloads/sdn-resources/technical-reports/onf2015.310_Architectural_comparison.08-2.pdf

Equipementiers

  • Huawei : 5G Network Slicing for Vertical Industries
  • Huawei : 5G Network Slicing for Cross Industry Digitization Position Paper
  • Nokia : Network Slicing in 5GS E2E
  • Samsung

 

https://www.huawei.com/minisite/5g/img/gsa-5g-network-slicing-for-vertical-industries.pdf

http://www-file.huawei.com/-/media/CORPORATE/PDF/white%20paper/5G-Network-Slicing-for-Cross-Industry-Digitization-Position-Paper.pdf

Figure 13 : https://www.5g-ks.org/pdf/Network_Slicing_in_5GS-E2E_View-Nokia.pdf

Figure 23 : https://www.5g-ks.org/pdf/Network_Slicing_in_5GS-E2E_View-Nokia.pdf

Figure 24 : https://images.samsung.com/is/content/samsung/p5/global/business/networks/insights/white-paper/network-slicing/200420_Samsung_Network_Slicing_Final.pdf

E2E Network Slicing : le découpage du réseau de bout en bout (Partie 2)

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Cet article est la suite de :

« E2E Network Slicing : le découpage du réseau de bout en bout (Partie 1)

III) La virtualisation du cœur de réseau

Les entités du cœur de réseau AMF, SMF, NEF, PCF sont des fonctions qui peuvent être virtualisées. Ces fonctions gèrent le plan de contrôle du réseau de mobiles et les performances fonctionnelles sont analysées au niveau du support opérationnel OSS (FCAPS).

L’entité UPF peut également être virtualisée, cette fonction gère le plan utilisateur. La fonction UPF possède des capacités d’aiguillage de trafic à partir de la classification de flux UL-CL (Uplink Classifier). Ainsi, la fonction UPF peut avoir le rôle de point de branchement (multi-homing), point d’ancrage de session (PSA : PDU Session Anchor) ou classificateur de flux pour définir le prochain saut. La classification de flux est une fonctionnalité supportée par la fonction UPF afin de diriger le trafic localement en fonction des filtres appliqués au trafic UE.

Le contrôle des fonctions virtuelles dans le cœur de réseau 5G est réalisé par deux fonctions nommées NSSF (Network Slice Selection Function) et NRF (Network Repository Function).

  • Le rôle du NSSF est de sélectionner le jeu de tranches réseau que l’utilisateur va pouvoir utiliser en fonction de son contrat d’abonnement (SLA) pour lui apporter la QoE (Quality of Experience) souhaitée. Le choix du slice se faisant au moment de l’enregistrement du mobile, la fonction NSSF dialogue avec la fonction AMF ou la fonction NSSF d’un autre PLMN.
  • Le rôle du NRF est de fournir un contrôle des fonctions virtuelles (NF) et des services proposés par les fonctions virtuelles.
    • La fonction NRF est un catalogue qui est mis à jour au moment de l’activation de la fonction virtuelle (enregistrement) et mis à jour lorsque la fonction virtuelle est redimensionnée. Elle propose ainsi un service de découverte de fonctions virtuelles
    • Toute fonction virtuelle NF peut demander à la fonction NRF, par une procédure de souscription, d’être informée dès qu’une nouvelle instance est créée.

Figure 5 : Inscription d’une fonction virtuelle au niveau de la fonction NRF (TS 29.510)

Une sous-instance virtuelle est composée au minimum de fonctions AMF, SMF, PCF, NRF. L’opérateur (OSS) met en place un ou plusieurs sous réseaux virtuels SNI et peut à tout moment activer ou désactiver un sous-réseau (procédure NSI figure 3). Chaque fonction activée vient se déclarer auprès de la fonction NRF (figure 5).

Une instance de réseau permet de gérer un type de service. Le type de service est défini par la variable S-NSSAI. Le S-NSSAI contient 2 champs :

  • SST sur 8 bits défini le type de slice (Slice Service Type)
    • SST = 1 : eMBB (normalisée 3GPP) ;
    • SST = 2 : URLLC (normalisée 3GPP) ;
    • SST = 3 : mMTC (normalisée 3GPP) ;
    • SST = 4 : V2X (normalisée 3GPP) ;
    • SST de 128 à 255 sont définis par l’opérateur.
  • SD (Slice Differentiator) est une information optionnelle qui permet de décliner plusieurs types de sous-service dans une catégorie SST donnée afin de différencier les clients.

La fonction NSSF permet d’identifier les NSI. Cette fonction est configurable via une API REST.

Voici un exemple de configuration de la fonction NSSF :

https://host:port/v1/nssf/configurations/nsiprofiles
POST
Content-Type: application/json
BODY
{
    « name »: « NSI001 »,
    « nrfUri »: « https://nrf.bloglaunay.com »,
    « nsiId »: « 1 »,
    « targetAmfSets »:
    [
        {
            « regionId »: « 01 »,
            « setId »: « 001 »,
            « setFqdn »: « set001.region01.amfset.5gc.mnc111.mcc208.3gppnetwork.org »
        },
        {
            « regionId »: « 01 »,
            « setId »: « 002 »,
            « setFqdn »: « set002.region01.amfset.5gc.mnc111.mcc208.3gppnetwork.org »
        }
    ]
}

Pour être plus complet, la configuration de la fonction NSSF permet aussi de diriger le choix de la fonction NRF en fonction du NSSAI demandé.

D’un point de vue opérateur : Lorsqu’une tranche de réseau est mise en œuvre, la fonction AMF peut toujours mettre à jour la configuration S-NSSAI de la fonction NSSF afin d’informer celle-ci des types de service supportés par la fonction AMF sur une zone de localisation TA.

Une fonction AMF peut gérer plusieurs tranches de réseaux S-NSSAI (il n’y a pas de limite fixée au niveau du cœur de réseau).

Figure 6 : La mise à jour de la fonction NSSF

L’entité NSSF sélectionne le (ou les) instances de réseau NSI correspondant(s) à la demande du mobile à partir du (ou de la liste des) S-NSSAI et détermine ainsi les fonctions AMF candidates correspondant spécifiquement (ou au mieux) à la demande de l’UE. Eventuellement, l’entité NSSF interroge la base de données NRF (Network Repository Function).

Figure 7 : Procédure d’enregistrement et sélection du NSI

L’entité NSSF renvoie à la fonction AMF qui l’a interrogée, la valeur NSSAI autorisée sur la zone TA et la liste des fonctions AMF candidates (figure 7).

Lorsque la station de base s’active (mise en route ou suite à une procédure de ré-initialisation), elle interroge les fonctions AMF pour connaître les tranches de réseaux (slices) supportées par chaque fonction AMF accessible comme le montre la figure 8.

 

Figure 8 : La déclaration des slices supportées par les fonctions AMF auprès de l’entité gNB

Si la station de base gNB était déjà en fonctionnement, alors elle est informée des modifications NSSAI apportées au niveau de la fonction AMF via le message NG Setup request (figure 9).

Figure 9 : La mise à jour des slices supportées par les fonctions AMF auprès de l’entité gNB

Lorsque le mobile s’active, il réalise une procédure d’attachement auprès d’une fonction AMF. L’attachement se fait sur une fonction AMF parmi toutes les fonctions AMF qui ont été activées par le support opérationnel OSS et accessible par la station de base gNB.

La sélection de l’entité AMF est réalisée au moment de la procédure d’attachement. Le choix est effectué à partir de l’identifiant NSSAI émis dans la requête NAS REGISTER. La station de base gNB reçoit la requête RRC qui porte le message NAS et l’indicateur NSSAI à partir duquel il sélectionne une fonction AMF. Si plusieurs fonctions AMF candidates peuvent être choisies (cf figure 8), la station de base gNB fait son choix par équilibrage de charge.

La fonction AMF sélectionnée par l’entité gNB interroge la base de données UDM pour vérifier que l’indicateur NSSAI demandé par le terminal (requested NSSAI) est accepté. L’entité UDM transmet à la fonction AMF le NSSAI autorisé pour ce client (allowed NSSAI). A partir de ce moment, la fonction AMF consulte la fonction NSSF (Network Slicing Selection Function) à partir d’une requête GET en indiquant la liste des S-NSSAI autorisés.

Si après consultation de la fonction NSSF, la fonction AMF sélectionnée initialement (appelée AMF source) par la station de base n’est pas appropriée pour les services demandés (NSSAI), alors la fonction AMF source réalise la procédure de ré-allocation de la fonction AMF.

Concernant la ré-allocation (lors de la procédure d’attachement), deux options sont possibles :

Dans le cas de l’option A (figure 10), en fonction des informations de souscription et de politique locale, la fonction AMF source décide d’envoyer la requête initiale vers la fonction AMF cible via le message Namf_Communication_N1MessageNotify portant le message NG-RAN Reroute Message.

Cependant, comme il ne peut y avoir qu’un seul point de terminaison N2 entre l’entité gNB et la fonction AMF pour un UE donné, la fonction AMF cible met à jour le point de terminaison auprès du gNB via le message NG AMF Configuration Update.

 

Figure 10 : Procédure de ré-allocation de la fonction AMF pour la gestion des transches de réseau du mobile UE : Option A

Dans le cas de l’option B (figure 11), en fonction des informations de souscriptions et de politique locale, la fonction AMF source décide d’envoyer le message NGAP Reroute NAS Message à l’entité gNB afin que celle-ci formule une nouvelle requête d’attachement vers la fonction AMF cible.

Figure 11 : Procédure de ré-allocation de la fonction AMF pour la gestion des tranches de réseau du mobile UE : Option B

Au niveau du cœur de réseau, le mobile s’enregistre sur une seule fonction AMF.

Le mobile peut demander à profiter de plusieurs tranches de réseaux (figure 12), les fonctions AMF, NSSF font parties des fonctions communes à toutes les tranches. Les fonctions PCF et NRF peuvent être communes ou spécifiques à une tranche de réseau.

Pour que le mobile puisse recevoir ou émettre des données, il faut mettre en place une session PDU. La session PDU est contrôlée par la fonction SMF, avec des règles PCF spécifiques.

Figure 12 : Les tranches de réseaux : Fonctions communes et spécifiques.

Il est aussi possible d’ajouter des fonctionnalités supplémentaires comme imposer la direction de trafic (trafic steering) en sortie du réseau de mobiles Gi-LAN afin d’apporter des services comme de l’optimisation vidéo, optimisation http, un cache CDN, un cache de réalité virtuelle, un détecteur de malware, une fonction parentale, un parefeu, …

Au niveau du mobile, le mobile fait une demande d’enregistrement auprès du cœur de réseau. Le mobile indique dans sa requête NAS les tranches de réseaux souhaitées (Requested NSSAI). Le requested NSSAI correspond soit au NSSAI configuré pour le PLMN (configured NSSAI), soit au NSSAI autorisé pour le PLMN (allowed NSSAI). Ce dernier (allowed NSSAI) a été récupéré lors d’un précédent enregistrement. Si le mobile n’a aucun NSSAI configuré pour le PLMN sur lequel il s’enregistre, alors il transmet l’information NSSAI configurée par défaut (Default configured NSSAI).

L’information NSSAI est configurée sur la mémoire non volatile du mobile. Il ne revient pas au standard 3GPP d’indiquer où est stockée cette information mais aux fabricants de terminaux. Le mobile peut contenir plusieurs informations NSSAI, chaque NSSAI est couplée à l’identifiant SUPI et est identifiée par le PLMN ID (cf. TS 24.501). Si on change l’identifiant SUPI, les informations NSSAI sont supprimées de la mémoire du terminal.

Dans le cas des smartphones, l’information NSSAI est configurée par défaut (Default configured NSSAI).

Dans le cas des terminaux IoT et URLCC, l’information NSSAI devrait être provisionnée afin de limiter l’impact de charge au niveau de la fonction AMF grand public lorsque les terminaux IoT s’allumeront.

Le mobile doit stocker les informations S-NSSAI du HPLMN. Si le mobile est enregistré sur un réseau visité VPLMN, le mobile doit aussi sauvegarder le NSSAI configuré pour ce VPLMN et doit faire la correspondance avec les S-NSSAI qu’il peut exploiter sur le réseau HPLMN. Le mapped NSSAI est utilisé en roaming pour faire la correspondance entre un S-NSSAI spécifique (128 à 255) du réseau H-PLMN et le S-NSSAI correspondant dans le VPLMN.

Lorsque le mobile demande l’établissement d’une session PDU, il transmet dans le message NAS l’information S-NSSAI souhaitée et des règles URSP (UE Route Selection Policy).

 

Le dernier paragraphe sera traité dans un autre article.

MOOC 5G est ouvert depuis une semaine

MOOC 5G : A ne pas rater.

Xavier Lagrange, professeur d’Université à l’institut Télécom Paristech propose une formation 5G à travers la plateforme université numérique francophone FUN MOOC.

Au cours de la première semaine, M Lagrange et son équipe pédagogique (dont Nicolas Dailly) ont présenté l’intérêt de déployer la 5G.

Dans les semaines à venir, ils présenteront entre autre l’évolution CUPS, l’établissement de sessions PDU, les états du mobile (RRC_IDLE, RRC_CONNECTED et RRC_INACTIVE), …

La formation est très intéressante (il existe aussi une formation sur la 4G) et l’approche très didactique et pédagogique.

Si vous ne vous êtes pas encore inscrit, cliquez sur le lien suivant :

https://www.fun-mooc.fr/courses/course-v1:MinesTelecom+04035+session01/about

Et bonne formation.

Les terminaux 5G

Les opérateurs ont déposé leur demande auprès de l’ARCEP pour obtenir une bande de 50 MHz afin de déployer la 5G.

Cette bande autour de 3,4 GHz va permettre à l’opérateur de délivrer de la 5G par le mécanisme de double connectivité. Il s’agit de la 5G-NSA (Non StandAlone) déjà déployé par d’autres opérateurs dans plusieurs pays du monde.

Les enchères pour l’attribution des bandes 5G (jusqu’à 100 MHz de bandes) a été retardée à une date ultérieure, probablement début mai ce qui risque de retarder le lancement commercial de la 5G en France (initialement prévue en Juillet 2020).

Les équipementiers 5G (Qualcomm, Samsung, Huawei) fournissent déjà des terminaux 5G, dans cet article je présente les constructeurs de modem 5G et les terminaux qui sont vendus dans le monde et qui seront vendus en France.

La plupart des terminaux sont 5G NSA, il existe néanmoins des terminaux dual-mode (5G-NSA et 5G SA).

Les résultats sont montrés sous forme synthétiques de tableau, cette étude a été réalisée fin février 2020

I) Les équipementiers

II) Les téléphones

Les terminaux 5G dans le monde sont résumés dans le tableau suivante, avec en couleur les terminaux qui seront commercialisés en France (Selon la liste du 29/02/2020) à savoir

  • Huawei Mate 20 et Mate 30
  • Xiaomi Mi Mix 3
  • Samsung S10 et S20
  • ViVO Z6

 

Massive MIMO : Fonctionnement (Troisième Article)

Voici le troisième article sur le déploiement du Massive MIMO.

Se référer aux articles précédents :

Massive MIMO : Définition (Première Partie)

Massive MIMO : Description de l’antenne (Deuxième partie)

La spécification pour le LTE définit 8 modes de transmission, le LTE-Advanced en défini 10 et un onzième mode est rajouté dans la release R.11. A part le mode TM1 qui ne nécessite qu’une seule antenne en émission et en réception, les autres modes permettent :

  • d’apporter une meilleure robustesse du canal par de la diversité en émission ou par la gestion de faisceau ;
  • d’améliorer la capacité par une transmission MIMO. Dans le cas du MIMO, le nombre de couches MIMO dépend du nombre de transmission décorrélées entre l’émetteur et le récepteur. Soit H la matrice du canal de propagation, le rang du canal correspond au nombre de couches MIMO possible.

Il est donc nécessaire d’avoir une antenne avec une colonne d’éléments rayonnants, la polarisation cross-polaire permet de doubler la diversité.

Une antenne est alors configurée par :

  • un seul élément rayonnant ;
  • deux éléments rayonnant en cross-polaire ;
  • une colonne d’élément rayonnant (avec une seule ou deux polarisation) ;
  • de plusieurs colonnes, chaque colonne contient plusieurs éléments rayonnants (en nombre égal).

Dans le cas des antennes actives, plusieurs AE sont regroupés dans un TRX, et

On définit les caractéristiques de l’antenne par une lettre A à I :

Figure 14 : La configuration des antennes (extrait livre : « LTE-Advanced Pro, Une étape vers le réseau de mobiles 5G », LAUNAY, PEREZ)

Les modes de transmissions nécessitent une configuration d’antenne :

  • TM1 : SISO n’utilise qu’une seule colonne et une seule polarité
  • TM2 : Diversité en transmission nécessite 2 ou 4 colonnes d’éléments rayonnants. Elle peut donc utiliser la configuration d’antenne D (une colonne de polarisation +/- 45°), E, F, H ou I. Avec deux colonnes, le codage utilisé est le code d’Alamouti SFBC (Space Frequency Block Codes), avec 4 colonnes on rajoute de la diversité temporelle FSTD (Frequency Shift Time Diversity).
  • TM3 : SU-MIMO en boucle ouverte avec diversité CDD (Cyclic Delay Diversity) nécessite 2 ou 4 colonnes d’éléments rayonnants. Elle peut donc utiliser la configuration d’antenne B, D (une colonne de polarisation +/- 45°), E, F, H ou I.
  • TM4 : SU-MIMO en boucle fermée avec la configuration d’antennes B,D,E,F,H ou I
  • TM5 : MU-MIMO avec la configuration d’antennes B,C,E,F,H.
  • TM6 : Multiplexage spatiale pour la formation de faisceau avec la configuration d’antennes B,C,E,G (plusieurs colonnes) par précodage numérique (PMI)
  • TM7 : Multiplexage spatial pour la formation de faisceau et MIMO dans une direction donnée en exploitant l’angle d’arrivée (AoA) ou direction à l’arrivé (DoA). Le mobile ne distingue plus une antenne physique comme dans les modes précédents mais une antenne virtuelle (cf. figure 4) en s’appuyant sur des éléments rayonnants à égales distances (ULA : Uniform Linear Array) dont la distance est inférieure à lambda/2 (lambda est la longueur d’onde). Ce mode nécessite la configuration d’antennes B,C,E,G.
  • TM8 : Introduit dans la R.9, le mode TM8 est similaire au TM7 avec deux couches.
  • TM9 : SU-MIMO et MU-MIMO à 8 couches.

Pour le mode TM7, la spécification 3GPP introduit la notion d’antenne virtuelle AP5 : le terminal ne voit qu’une seule antenne virtuelle mais l’orientation numérique du faisceau est obtenue en apportant un déphasage et un gain constant sur chacune des antennes physiques. Une antenne physique est nommée dans cet article par antenne individuelle : le même signal est transmis sur 4 TRX avec une pondération différente, chaque TRX est connecté à une antenne individuelle.

Figure 15 : La connexion de l’antenne virtuelle et physique

Le standard 3GPP introduit la notion de port d’antenne, qui une nouvelle fois peut apporter de la confusion. Un port d’antenne est un port logique.

Tableau 1 : Les ports d’antenne pour la 4G

Comme l’indique la table 1, les signaux de références correspondent à un numéro de port d’antenne. Les ports d’antennes correspondants au UE Specific RS sont utilisés pour la formation du faisceau (obligatoirement supporté en mode TDD et optionnel en mode FDD).

Les signaux de références sont référencés à un numéro de port d’antenne, mais plusieurs ports d’antennes différents transmettent le signal vers la même antenne individuelle (antenne physique) ou transmis vers plusieurs antennes individuelles. La station de base gère la correspondance entre un port d’antenne et l’antenne individuelle.

Dans le cas de la formation d’un faisceau numérique (beamforming), le calcul des pondérations à effectuer sur chaque antennes individuelle (nommé aussi poids) est réalisé par la station de base en s’appuyant sur le rapport de retour d’état du canal 4G (CSI à partir des signaux de références) ou à partir des signaux de références sur le lien montant.

II-2) Les signaux de références

Un signal de référence (CRS ou CSI-RS) est une séquence pseudo-aléatoire transmise sur chaque antenne individuelle. La séquence pseudo-aléatoire permet au récepteur de séparer les différentes séquences CSI-RS et d’estimer la qualité du signal reçu au niveau de chaque séquence de référence.

Le récepteur n’a pas besoin de connaître le nombre d’antennes individuelles de l’antenne MIMO (ou Massive MIMO, il doit savoir combien de signaux de référence il doit mesurer. Il retourne ainsi l’état du canal de propagation ayant affecté chaque signal de référence. Pour que cette information soit utile, il est nécessaire que les signaux de références soient décorrelées. Ainsi, chaque signal de référence doit être transmis sur une et une seule antenne individuelle.

Dans le cas du LTE (R8, R9), le MIMO était limité à 4 antennes. L’exploitation de 4 signaux de références CRS suffit.

Si la release 10 augmente à 8 signaux de références CSI-RS, il est nécessaire de monter à 16 (R.13) puis 32 (R.14) signaux de références CSI-RS pour augmenter le nombre de chaîne de transmission TRX. Mais cela reste insuffisant pour fonctionner avec une antenne massive-MIMO 64T64R sauf si l’on transmet deux séquences CSI-RS sur deux antennes individuelles dont la polarisation est croisée (il s’agit ici d’une hypothèse, je n’ai aucune certitude sur ce point.)

Pour lever cette limitation, dans le cas LTE-FDD la station de base utilise la combinaison des signaux SRS et CSI-RS. Le signal SRS est le signal de référence émis par le terminal mobile vers la station de base. Ainsi dans le cas de la 4G TDD, il est plus efficace d’exploiter l’estimation du canal sur le lien montant.

Pour les modes TM7 et TM8 en 4G, la station de base utilise les signaux de références UE-RS. Pour la station de base 5G, la station de base s’appuie sur le signal de référence SRS du lien montant.

Dans le cas de la 5G à 3,5 GHz, les signaux de références du lien montant SRS suffisent à la station de base pour estimer la formation du faisceau.

Toutefois, le nombre de signaux de références CSI-RS étant limité, la 5G NR en mode FDD s’appuie sur deux méthodes :

  • Reciprocity based CSI : Il s’agit d’estimer le signal de référence CSI-RS à partir des signaux SRS
  • Closed Loop : Le terminal UE envoie à la station de base les informations du canal CSI

II-3) Le mode de transmission Massive MIMO en 5G

Pour améliorer les performances de la méthode Closed Loop, l’accès initial propose une commutation des faisceaux (beam switch transmission procedure) en utilisant différent blocs SSB. Au niveau de l’antenne, un réseau de calibration est nécessaire pour pointer dans la bonne direction. Ainsi, le terminal UE détermine le bloc SSB et renvoie les informations du canal pour chaque faisceau reçu à la station de base gNB. Ensuite, des informations complémentaires peuvent être transmis selon le type de configuration choisi :

  • CSI TYPE 1 : Normal (PMI) feedback dans le cas du SU-MIMO donnant la direction du faisceau le plus important
  • CSI TYPE 2 : Enhanced (explicit or codebook based) dans le cas du MU-MIMO en apportant plus d’information de retour par le terminal à la station de base.

ANNEXE

Reference 1 :

https://www.5gamericas.org/wp-content/uploads/2019/07/MIMO_and_Smart_Antennas_July_2013_FINAL.pdf)

Référence 2 : Livre « LTE-Advanced Pro, Une étape vers le réseau de mobiles 5G », Launay F, Perez A

(https://www.amazon.fr/LTE-Advanced-Pro-Fr%C3%A9d%C3%A9ric-Launay/dp/1784055778)

Massive MIMO : Définition (Première Partie)

Je vous propose une série de 3 articles pour comprendre le massive MIMO. Je me suis appuyé sur les documents :

  • 3GPP;
  • 5G América;
  • et les informations des équipementiers comme Nokia, Ericsson et Huawei.

Cependant,malgré quelques réponses de Emil Björson (https://ma-mimo.ellintech.se/author/eb/) , et de Jakob Hoydis (Nokia), il y a une grande part d’interprétation. Je les remercie d’avoir pris le temps de me répondre.

N’hésitez donc pas à commenter ces articles pour améliorer le contenu, merci.

  1. Description générale du MIMO au Massive MIMO

I-1) Définition

La technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output) consiste à transmettre simultanément N flux d’informations sur N antennes d’émission (un flux d’information par antenne d’émission) et chaque flux est reçu par M antennes en réception.

Le flux transmis par antenne peut être :

  • un même flux avec un précodage pour :
    • améliorer la diversité en émission (se référer aux codes Alamouti SBFC) ;
    • diriger le flux dans une direction donnée (avec un précodage pour orienter le flux – beam RF) ;
  • des flux différents (K flux, K est inférieur ou égal à N) pour augmenter la capacité de la station de base et améliorer le ressenti utilisateur.

Figure 1 : Le principe du MIMO

La notion de faisceau porte à confusion. On fera donc la différence entre :

  • un faisceau RF (beam RF) transmis dans une direction donnée en utilisant plusieurs antennes qui transmettent toutes le même flux;
  • un faisceau MIMO (beam) qui utilise plusieurs antennes pour transmettre différents flux ;
  • un faisceau MIMO dans une direction donnée (un faisceau RF) : le faisceau MIMO est constitué de plusieurs faisceaux RF (plusieurs beam RF) pour transmettre les flux différents dans une direction donnée. A titre d’exemple, on peut utiliser 16 antennes pour faire du 4×4 MIMO dans une direction donnée.

La notion d’antenne porte aussi à confusion, on parle en effet d’une antenne MIMO pour évoquer en réalité un réseau d’antennes (antenna array) ou un système multi-antennes. Pour clarifier les éléments, dans cet article, on nomme antenne MIMO, un réseau d’antennes constitué de plusieurs antennes individuelles et chaque antenne individuelle peut être constituée d’un réseau d’éléments rayonnants.

On va donc poser les définitions suivantes :

  • un réseau d’antennes est un ensemble de plusieurs antennes individuelles pouvant fonctionner ensemble comme une seule antenne nommée antenne MIMO;
  • les antennes individuelles sont connectées à un seul récepteur ou émetteur nommé TRX ;
  • l’évolution des techniques d’intégration permettent d’intégrer plusieurs éléments d’antennes (nommé Antenna Element) par antenne individuelle.

Une antenne du radio cellulaire (2G/3G/4G) est composée d’un ensemble d’éléments rayonnants protégé par un radôme :

Figure 2 : Le Radôme

Un élément rayonnant est appelé élément d’antenne (AE : Antenna Element). L’élément rayonnant présente un diagramme de rayonnement de 180° :

Figure 3 : Le Diagramme de rayonnement d’un élément d’antenne

Le module TRX est le module permettant de passer du signal en bande de base vers le signal RF. Il est composé d’un émetteur et d’un récepteur. En émission, le signal RF est transmis du module TRX à l’antenne individuelle, en réception l’antenne individuelle transmet le signal au module TRX.

L’antenne individuelle est constituée d’un réseau d’éléments rayonnants AE.

L’antenne MIMO est composée d’un ou de plusieurs panneaux d’antennes individuelles.

Les éléments rayonnant peuvent être co-localisés ou distribués.

Il existe deux modèle de connexion :

  • une antenne individuelle est connectée à un seul TRX, on parle de modèle de partitionnement ;
  • une antenne individuelle est connectée à plusieurs TRX, on parle de modèle complet.

En général, les antennes individuelles sont connectées à un ensemble d’éléments d’antennes colocalisées ou distribuées (sous-panneau – subarray), on est donc sur un modèle de partitionnement.

Figure 4 : Le modèle de connexion des TRX aux éléments d’antennes

I-2) La formation du faisceau RF

Un émetteur MIMO est composé de plusieurs modules d’émissions (N TX) chaque chaîne de transmission radio TX est connectée à une antenne individuelle.

Un récepteur MIMO est composé de plusieurs modules de réception (M RX) chaque chaîne de réception radio RX est connectée à une antenne individuelle.

Dans le cas de l’antenne MIMO, la formation d’un faisceau RF (beam RF) est un ensemble de gain et de déphasage appliqué sur les TRX de l’antenne par un précodage numérique.  La formation du faisceau est donc réalisée à partir d’un sous-réseau d’antennes individuelles passives.

Dans le cas de l’antenne Massive MIMO, chaque TRX est constitué d’un ou plusieurs éléments rayonnants (AE). Le contrôle des éléments rayonnant apporte un gain supplémentaire dans une direction donnée grâce à un contrôle en amplitude et en phase du signal issu du TRX (beam analog steering). Il s’agit donc d’un sous-réseau actif d’antennes et on parle de système d’antennes actives (AAS : Active Antenna System).

Figure 5 : Le contrôle de la direction du faisceau dans le domaine analogique

Si les éléments d’antennes sont régulièrement espacés (ULA : Uniform linear Array), la direction d’arrivée de l’onde est estimée à partir de la différence de marche :

Figure 6 : Calcul de la différence de marche

Pour un signal de bande étroite, en appliquant le retard (la différence de marche) sur chaque élément d’antenne, le signal reçu est le suivant :

(Equation 1)

 

On peut également écrire sous forme vectorielle :


(Equation 2)

 

 

 

Avec a la direction du faisceau.

A l’inverse, en appliquant un déphasage sur chaque élément d’antenne rayonnant, il est possible d’orienter le faisceau (faible bande car la formule dépend de la longueur d’onde) dans une direction donnée (AoD : Angle of Departure).

La simulation sous Matlab se programme ainsi :

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% SIMPLE UNIFORM LINEAR ARRRAY
% WITH VARIABLE NUMBER OF ELEMENTS
% MATRIX IMPLEMENTATION
% COPYRIGHT RAYMAPS (C) 2018

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
clear all
close all

f=1e9;
c=3e8;
l=c/f;
d=l/2;

no_elements=4;
theta=0:pi/180:2*pi;

n=1:no_elements;
n=transpose(n);

A=(n-1)*(i*2*pi*d*cos(theta)/l);
X=exp(-A);
w=ones(1,no_elements);
r=w*X;

polar(theta,abs(r),'r')
title ('Gain of a Uniform Linear Array')


(source : http://www.raymaps.com/index.php/fundamentals-of-a-uniform-linear-array-ula/)

Figure 7 : Diagramme de rayonnement (angle et gain) en fonction du nombre d’éléments d’antenne

Le gain apporté par l’antenne individuelle (sur laquelle est connectée le TRX) est égal au nombre d’élément rayonnants, cela revient à concentrer la puissance du signal dans un faisceau étroit. Quel que soit le diagramme de rayonnement, la puissance transmise dans le faisceau est identique, par contre plus le faisceau est fin plus la couverture est importante. Si N est le nombre d’éléments rayonnants, le gain en dB s’exprime par 10*log10(N).

En réception, la station de base est en mesure de déterminer la position du mobile selon une des deux méthodes :

  • en analysant le signal de réception sur les différentes antennes (cf. equation 2). Le calcul de l’angle d’arrivée (AoA : Angle of Arrival ou DoA : Direction of Arrival) utilise un algorithme de traitement du signal comme MUSIC ou ESPRIT ;
  • à partir du rapport de mesure transmis par le terminal mobile (CSI : Channel State Information).

En émission, la station de base peut diriger le faisceau dans une direction donnée en appliquant un déphasage et un gain sur chacun des éléments rayonnants : pour diriger un faisceau (beam) dans une direction donnée, il est nécessaire d’apporter un poids sur chaque élément rayonnant :

La valeur du vecteur de poids w est estimée à partir d’une des deux méthodes décrites ci-dessus (estimation AoA ou CSI).

I-3) La formation du faisceau

L’une des complexités du Massive MIMO réside dans le contrôle du gain et de la phase de chaque élément d’antenne. Pour réduire cette complexité, la formation du faisceau est réalisée par un précodage numérique (digital beamforming) à partir d’un sous-résau d’antennes passif suivi d’un gain apporté par le tableau d’élément rayonnant (plusieurs AE) par un sous-réseau d’antennes actives. On parle alors de technique hybride (hybrid : digital and analog) formant un système d’antennes actives.

Nous avons vu précédemment qu’une antenne individuelle était connectée à une ou plusieurs chaîne radio TRX. Donc, une chaine radio (TRX) est connectée à une antenne individuelle, laquelle pour rappel est composée d’un ensemble d’éléments rayonnants.

Le précodage en bande de base consiste à contrôler les flux au niveau de chaque chaîne radio TRX. Ainsi dans le cas d’une antenne 64T64R, le précodage numérique contrôle 64 flux.

Le précodage analogique permet d’apporter un gain RF supplémentaire.

Pour résumer :

  • le précodage numérique (en bande de base) permet de contrôler un ensemble d’antenne individuelle par TRX. Le précodage s’appuie sur les retours CSI ;
    • du MIMO en transmettant des flux différents sur différentes antennes individuelles ;
    • de la formation d’un faisceau en transmettant le même flux vers différentes antennes individuelles (plusieurs TRX transmettent le même flux).
  • le précodage analogique (sur le signal RF) permet de contrôler les éléments d’antennes constituant un TRX. Le précodage s’appuie sur l’estimation de l’angle à l’arrivée.
    • Le précodage analogique en RF permet d’orienter le faisceau dans une direction donnée.

Il est ainsi possible

  • d’affiner le faisceau (beam) dans une direction donnée en couplant le précodage numérique et analogique ;
  • ou de faire du MIMO directif en couplant le MIMO du précodage numérique en dirigeant les faisceaux (le faisceau MIMO est formé à partir de plusieurs faisceaux RF).

Il existe deux types de connexion entre l’antenne individuelle de la chaîne radio TRX et les éléments d’antennes :

  • une connexion par partitionnement : une antenne individuelle est connectée à un ensemble d’éléments d’antennes disjoints (se référer à la figure 4) ;
  • une connexion complète : les antennes individuelles sont toutes connectées aux mêmes éléments d’antennes.

A titre d’exemple, pour une station de base 64T64R, si chaque antenne individuelle de la chaîne radio TRX est connectée à 4 AE, alors l’antenne massive MIMO est composée de 64*4 = 256 AE.

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