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L’accès aléatoire pour les terminaux LTE UE et LTE-BL/CE UE et NB-IoT 4step RA et 2 Step RA

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La procédure d’accès aléatoire pour les terminaux LTE UE et la procédure d’accès aléatoire pour les terminaux LTE-BL/CE UE dans le cas de la transmission EDT sont presque identiques.

Les objectifs de l’accès aléatoire sont :

  • La connexion radioélectrique d’un terminal UE avec une station de base spécifique, c’est-à-dire l’établissement d’un support radio de signalisation SRB1 (Signaling Radio Bearer 1) sur un canal de contrôle radioélectrique dédié DCCH (Dedicated Channel Control).
  • La gestion de conflit lorsque plusieurs terminaux font une demande simultanée.
  • La synchronisation de la transmission sur le lien montant Uplink pour que le signal réceptionné au niveau de la station de base soit aligné temporellement avec la sous-trame (Timing Advanced). Le Timing Advanced TA correspond à la durée de propagation du signal de l’UE à la station de base.

A travers le signal d’information SIB2 en 4G ou SIB1 en 5G, chaque station de base transmet, par cellule, sa propre configuration de l’accès aléatoire. Ainsi, un UE souhaitant réaliser une connexion radioélectrique est ainsi paramétré par la cellule serveuse, ce qui permet à la station de base de reconnaitre si c’est à elle qu’est adressée la procédure d’accès aléatoire avec contention (CBRA : Contention Based RACH).

En cas de mobilité, lorsque l’UE passe d’une cellule à une autre cellule, il est nécessaire de synchroniser l’UE avec la station de base cible. Dans le cas du HandOver, la procédure d’accès aléatoire sans contention est préférée (CFRA : Contention Free RACH) même si la procédure d’accès aléatoire avec contention reste possible.

Dans le cas de la double connexion MR-DC, le mobile fait une demande de connexion radioélectrique avec le nœud maître MN (Master Node) selon la procédure d’accès aléatoire avec contention CBRA et une fois l’UE connecté, la demande de connexion radioélectrique avec le nœud secondaire est effectuée selon la procédure d’accès aléatoire sans contention.

La liste des paramètres transmis aux terminaux LTE UE et LTE-BL/CE UE sont [4] :

  • Prach-configIndex: indique le format de la demande d’accès aléatoire, et la localisation dans le domaine temporel de la transmission du préambule : la sous-trame dans laquelle doit être transmise la demande d’accès (numéro de la sous-trame et sur toutes les trames ou uniquement les trames paires)
  • Prach-FreqOffset: la localisation dans le domaine fréquentiel de la transmission du préambule
  • rootSequenceIndex: la liste de séquences de Zadoff-Chu parmi les 838 racines de ZC

La procédure d’accès aléatoire 4-Step RA

La procédure d’accès aléatoire traditionnelle s’effectue en 4 étapes sur le canal de contrôle commun (CCCH)

  • Msg1 : Transmission du préambule dans les occasions RACH RO (RACH Occasion) configurées par la station de base afin de séparer les ressources tempo-fréquentielles utilisées pour les terminaux UE et les terminaux MTC (NB-IoT, BL UE et non BL UE). Une liste de préambule est identifiée par station de base et par type de terminaux (UE, NB-IoT, BL UE et non BL UE). L’instant de transmission défini par le numéro de symbole et le slot utilisé, et la fréquence utilisée pour émettre la demande d’accès aléatoire permettent de calculer l’identifiant RA-RNTI.
  • Msg2 : RAR – Response Access Random. La station de base répond au mobile dans un message DCI embrouillé avec l’identifiant RA-RNTI. Le terminal UE est à l’écoute du canal PDCCH. Le message RAR contient l’allocation de ressource en UL permettant au mobile de savoir sur quelles ressources tempo/fréquentielle l’UE transmettra le Msg3 et contient un identifiant radio temporaire T-RNTI. Dans le cas de la transmission EDT, le Msg2 RAR contient de plus un champ indiquant que l’allocation de ressource (UL Grant) correspond à une transmission EDT
  • Msg3 : L’UE envoie une requête RRC avec l’identifiant radio temporaire T-RNTI et un identifiant supplémentaire pour identifier l’UE qui réponse.
    • Si le mobile est à l’état RRC_IDLE,
      • le message émis est la requête RRC Connection Request en 4G ou RRC Setup Request en 5G pour la demande d’établissement d’un bearer radio et bassculer à l’état RRC_CONNECTED
      • le message émis est la requête RRCEarlyDataTransmission Request pour la transmission d’un message EDT en restant à l’état de veille RRC_IDLE.
      • le message émis est la requête RRC ConnexionResume Request pour ré-établir le contexte AS.
    • Si le mobile est à l’état RRC_CONNECTED
      • l’UE a détecté un échec du lien radio (RLF : Radio Link Failure) ou un échec de HandOver, ou un échec sur le calcul d’intégrité MAC_I, le message émis est la requête RRC Connection Re-establishment Request en 4G ou RRC Re-establishment Request en 5G.
      • dans le cas de la 5G (SA ou NSA), si la station de base gNB a envoyé à l’UE le message RRCReconfiguration avec l’information reconfigurationWithSyncIE, alors l’UE réinitialise la couche MAC, relâchant ainsi la configuration UL et le mobile démarre la connexion d’accès aléatoire sur la cellule SpCELL.
    • Si le mobile est à l’état RRC_INACTIVE, le message émis est la requête RRC Resume Request ou requête RRC Resume Request1

Dans le cas des terminaux NB-IoT, LTE-BL/CE UE, les messages 1 et 2 peuvent être répétés plusieurs fois, le nombre de répétition dépend du niveau du puissance de réception de la couverture CE (Coverage Enhanced : CE0, CE1 ou CE2).  La durée de la fenêtre pour la réception du message 2 est également spécifique pour ces terminaux. Ces informations sont transmises dans le SIB2 (SIB2-NB) via l’information RACH-CE-LevelInfoList-r13.

L’UE mesure le niveau de configuration du CE en fonction de la puissance mesurée RSRP. Afin que la station de base prenne connaissance du niveau de CE, la liste des préambules est différente par niveau de CE.

Figure 1 : Niveau de puissance et sélection du CE [1]

La procédure d’accès aléatoire traditionnelle est présentée sur la figure 3 pour le réseau d’accès radioélectrique E-UTRAN et sur la figure 2 pour l’accès radio NG-RAN.

Figure 2 : Procédure d’accès aléatoire sur l’interface LTE

Figure 3 : Procédure d’accès aléatoire sur l’interface 5G-NR [2]

La procédure d’accès aléatoire 2-Step RA – Release R.16

La procédure d’accès aléatoire 2 step RA proposée dans la R.16 permet de réduire la latence et la signalisation en réduisant la procédure d’accès aléatoire à deux échanges. Il s’agit de combiner le message 1 et 3 dans un même message, nommé msgA et les messages 2 et 4 dans un même message nommé msgB.

Figure 5 : Procédure d’accès aléatoire 2 Step RA[2,3]

La procédure d’accès aléatoire à deux étapes 2S-RA s’applique pour les deux procédures avec et sans contention CBRA/CFRA.

Les informations concernant le paramétrage de la procédure d’accès aléatoire est transmise dans le message RRC du SIB1 en 5G. La configuration du réseau défini un seuil msgA-RSRP-Threshold permettant à l’UE de choisir entre l’accès aléatoire à 2 étapes ou 4 étapes.

Si le mobile est à l’état connecté RRC_CONNECTED, le réseau peut configurer le msgA-PUSCH-Config dans la configuration du BWP montant (UL BWP).

La procédure d’accès aléatoire à 2 étapes est plus sensible aux problèmes de ;

  • Réceptions simultanées de plusieurs utilisateurs (payload msgA)
  • Démodulation du message msgA (PUSCH) en étant non synchronisé

Pour savoir quel type de procédure est choisi par l’UE (2 step RA ou 4 Step RA), la liste de préambules pour la demande d’accès à 2 états est différente de la liste des préambules pour la demande d’accès à 4 états.

Les occasions de transmissions des préambules (RO : RACH Occasion) peuvent être spécifiques. La durée de la fenêtre d’écoute du mobile après l’émission de son premier message msgA est définie par le paramètre msgB-ResponseWindow-r16

Les paramètres pour la demande d’accès aléatoires sont définis dans l’élément d’information RACH-ConfigCommonTwoStepRA et msgA-PUSCH-Config-r16 contenu dans la structure du message MsgA-ConfigCommon-r16 (se référer à l’annexe).

Etape 1 : Transmission du message A

Le message A contient un préambule choisi parmi la liste des préambules pour la demande d’accès à 2 états et des données PUSCH (msgA-PUSCH) dans lequel le mobile transmet un message RRC

  • Si le mobile était à l’état connecté RRC_CONNECTED, l’UE transmet son identifiant C-RNTI pour la valeur de ue_identity.
  • Si le mobile était à l’état de veille RRC_IDLE ou à l’état Inactive RRC_INACTIVE, alors l’UE transmet la requête RRC correspondante aux requêtes RRC sur le bearer SRB0 :
    • RRC Setup Request
    • RRCResumeRequest
    • RRCResumeRequest1
    • RRCReestablishmentRequest

Etape 2 : Transmission du message B : msgB

L’UE attend la réponse de la station de base sur une durée définie par la valeur du champ msgB-ResponseWindow (1, 2, 4, 8, 10, 20, 40, 80, 160 ou 320 slots) à partir du symbole suivant le dernier symbole de la séquence d’occasion du PRACH.

L’UE écoute la zone de recherche CORESET et décode le message DCI format 1_0. La réponse destinée au mobile est embrouillée avec l’identifiant C-RNTI si l’UE était en mode connecté ou msgB-RNTI sinon.

L’identifiant msgB_RNTI est calculé de manière assez similaire au RA_RNTI :

MSGB-RNTI = 1 + s_id + 14 × t_id + 14 × 80 × f_id + 14 × 80 × 8 × ul_carrier_id + 14 × 80 × 8 × 2

Lorsque l’UE reçoit le msgB avec l’identifiant C_RNTI, la procédure RA est réussie et la station de base transmet dans le msgB une allocation de ressource pour la voie montante Uplink Grant ou des consignes pour le lien descendant downlink assignment.

Lorsque l’UE reçoit le msgB avec l’identifiant msgB_RNTI, plusieurs réponses sont possibles :

  • La station de base détecte un préambule et arrive à décoder la demande d’accès aléatoire. La station de base retourne à l’UE le message successRAR contenant un identifiant radioélectrique C-RNTI et la valeur du TA.
  • La station de base détecte un seul préambule mais ne parvient pas à décoder le message. A partir de l’instant de réception du préambule, la station de base envoie le message fallback RAR vers l’UE en indiquant la valeur du TA. L’UE poursuit la procédure d’accès aléatoire en 4 étapes et en reprenant au msg3.
  • Plusieurs UE ont lancé la procédure simultanément avec le même préambule, le msgA n’est pas correctement décodé au niveau de la station de base. La station de base ne trasmets pas de fallback RAR car elle ne peut pas indiquer la valeur du TA pour chaque UE. La station de base envoie un message de backoff pour que les terminaux retente la procédure d’accès aléatoire.
  • Le mobile ne reçoit pas le msgB, soit l’UE retente une demande d’accès aléatoire à 2 états ou à 4 états.

 

Références :

[1] https://www.eventhelix.com/5g/standalone-access-registration/5g-standalone-access-registration.pdf

[2] http://howltestuffworks.blogspot.com/2020/04/5g-nr-2-step-random-access-procedure.html

[3] https://www.linkedin.com/pulse/2-step-rach-5g-nr-syed-mohiuddin/

[4] https://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2022/08/01/bl-ue-non-bl-ue-et-nb-iot-quelles-sont-les-differences/

 

Etablissement de la connexion radioélectrique : Comparaison 4G et 5G

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En reprenant la procédure de demande de connexion d’accès 5G SA, j’ai constaté qu’il y avait deux types de requêtes RRC différentes pour la même procédure.

Le premier échange pour l’établissement de la connexion radioélectrique est identique aux échanges entre le terminal et la station de base 4G, le deuxième échange diffère dans le type de message transmis.

La question qui se pose est donc la suivante : Pourquoi trouve t’on deux types de messages différents pour la même procédure et laquelle est correcte?

Afin de comprendre laquelle était juste, j’ai comparé plusieurs articles pour m’apercevoir qu’au final, la spécification TS 3GPP a évolué entre mars 2018 et novembre 2018. Ce qui explique les deux formalismes différents rencontrés.

Ainsi, je propose dans cet article de comparer la demande d’accès radioélectrique entre un mobile et une station de base 4G et entre un mobile et une station de base 5G en se basant sur la spécification R15 (qui est à l’état gelé).

  1. Introduction

Lorsque le mobile souhaite établir ou ré-établir la connexion radioélectrique avec la station de base, il doit dans un premier temps informer la station de base de sa présence par la procédure d’accès aléatoire avec collision. Il s’agit de la connexion initiale destinée à gérer les conflits éventuels si plusieurs mobiles font simultanément une demande d’accès.

Ensuite, la station de base sécurise le lien radioélectrique (la strate d’accès AS) par chiffrement et intégrité de la strate radioélectrique AS (Access Stratum).

Nous allons présenter dans cet article la connexion radioélectrique sur l’interface 4G et sur l’interface 5G, mettant ainsi en avant les différences et les similitudes.

2) La procédure d’accès aléatoire avec collision 4G

La procédure d’accès aléatoire avec collision, lors de l’établissement ou du rétablissement de la connexion avec un nœud radioélectrique est décrite à la figure 1.

Le mobile choisi un préambule aléatoirement parmi la liste des préambules proposées par la station de base 4G (message SIB2) et transmet sa demande via le canal physique PRACH avec une puissance initiale P.

Le signal PRACH est transmis sur une fréquence porteuse et pendant une sous-trame qui permet de calculer la valeur RA-RNTI d’émission :

En cas de non-réponse de la station de base eNB, le mobile retransmet le même canal PRACH en augmentant la puissance d’émission. Le nombre maximal de retransmission est indiqué par l’information système porté par le SIB2.

Le risque de collision est lié au fait que plusieurs mobiles peuvent transmettre le message PRACH au même instant (donc avec le même identifiant RA-RNTI). La collision ne se produit que si deux mobiles émettent simultanément avec le même préambule.

Lorsque la station de base eNB reçoit le canal physique PRACH, elle calcule l’avance de temps TA et répond au mobile. Le mobile écoute le canal physique PDCCH (Physical Downlink Control Channel) à la recherche de l’information de contrôle DCI format 1A ou 1C dont le RRC est mélangé avec l’identifiant RA-RNTI. Lorsque le mobile récupère l’information DCI correspondant à la réponse d’une demande d’accès aléatoire avec l’identifiant RA-RNTI, le mobile récupère les données correspondantes qui sont transmises par la station de base dans le canal physique PDSCH (i s’agit de la trame MAC RAR).

La trame MAC RAR (Random Access Response) contient l’indice du préambule, l’avance de temps TA, la ressource à utiliser (UL Grant) pour la transmission dans le canal montant et l’identité temporaire TC-RNTI (Tempory Cell RNTI). C’est par l’indice de préambule que le mobile est capable de savoir si la réponse lui est destinée (sauf en cas de conflit). Ainsi, si deux mobiles ont fait simultanément la demande d’accès aléatoire avec deux préambules différents, chaque mobile trouvera son identifiant dans la trame MAC RAR.

Le mobile initialise son avance de temps TA et répond avec le message RRC ConnectionRequest contenant :

  • l’identité temporaire S-TMSI (Shortened Temporary Subscriber Identity), si le mobile est déjà attaché;
  • un nombre aléatoire dans le cas contraire (40 bits).

Si deux mobiles avaient fait une demande d’accès aléatoire simultanément avec le même préambule, alors l’entité eNB reçoit les deux message RRC ConnectionRequest sur les mêmes ressources radioélectrique, elle répond au mobile pour lequel elle a pu décoder la requête par le message RRC ConnectionSetupComplete comprenant :

  • l’information DCI dans le canal physique PDCCH ;
  • l’en-tête MAC RAR contenant l’élément de contrôle UE CRI (Contention Resolution Identity). Cet élément de contrôle reproduit l’identité du message RRC ConnectionRequest, permettant ainsi de résoudre la collision.

Le mobile récupère l’information DCI à partir de l’identité TC-RNTI et récupère, à partir de l’information DCI, la description de ses données dans le canal physique PDSCH.

Si deux mobiles avaient simultanément fait une demande d’accès aléatoire avec le même préambule, seul un mobile reçoit la réponse avec l’identifiant S-TMSI ou le numéro aléatoire choisi, le conflit est ainsi résolu.

Après résolution de collision, l’identité temporaire TC-RNTI devient l’identité définitive C-RNTI attribuée au mobile.

Le mobile confirme la connexion radioélectrique en indiquant son C-RNTI dans l’élément de contrôle de la trame MAC du message RRC ConnectionSetupComplete.

Figure 1 : La demande d’accès aléatoire en 4G

 

3) La procédure de connexion radioélectrique 4G

Dans le message RRC ConnectionSetupComplete, le mobile transfère le message NAS dédié au cœur de réseau. Il peut s’agir d’une demande d’attachement et d’établissement de support, ou d’une demande de service (ServiceRequest) pour le ré-établissement d’un support.

Figure 2 : La demande de ré-établissement de support en 4G

Les 4 premiers messages  concernent la procédure d’accès aléatoire. Dans le 5ème message RRC ConnectionSetupComplete, le mobile confirme la connexion du support radioélectrique et transmet la raison de sa demande (message NAS : Non Access Stratum);

L’entité eNB transfère la requête auprès du MME via le message X2 Initial UE Message (non présenté ici). Si l’entité MME acquitte la demande, alors la station de base eNB va procéder à la sécurisation du lien radioélectrique par la requête RRC Security Mode.

Une fois la capacité de chiffrement des messages validés par le mobile (RRC Security Mode Complete), la station de base configure un nouveau support radioélectrique pour l’échange de trafic (RRC Connection Reconfiguration).

 

4) La procédure d’accès aléatoire avec collision 5G

Dans le cas de la procédure d’accès aléatoire 5G, la bande passante est découpée en partition de bande BWP. Dans chaque sous bande BWP, la station de base diffuse le bloc SSB (signal de synchronisation et le canal BCCH) permettant au mobile de se synchroniser en temps et en fréquence et de lire les informations portées par le message MIB.

Pour faire sa demande d’accès aléatoire, le mobile recherche la partition BWP d’accès initiale. La partition de bande initiale correspond à une sous-bande de fréquence dans laquelle la station de base émet le bloc SSB avec en plus un espace de recherche sur lequel le mobile pourra scruter le message d’information DCI transmise par la station de base en réponse à la requête PRACH du mobile.

Si la station de base gNB peut émettre des slots SSB dans des faisceaux différents (beam sweeping), le mobile sélectionne le faisceau de meilleure qualité.

A l’instar de la 4G, le mobile transmet la demande d’accès par le canal PRACH avec une puissance P. Néanmoins, la valeur d’identifiant RA-RNTI se calcule de la manière suivante :

Si le nœud radioélectrique reçoit le canal physique PRACH, il calcule l’avance de temps TA et il transmet la trame MAC RAR (Random Access Response) au mobile (message 2) en lui attribuant les ressources radioélectriques pour le prochain message montant (UL Grant) et l’identité temporaire TC-RNTI (Tempory Cell RNTI).

Figure 3 : La demande d’accès aléatoire en 5G

 

Pour plus d’information sur la procédure RACH, se référer à l’article suivant : http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2019/10/14/etablissement-de-la-connexion-radio-partie-3-la-procedure/

5) La procédure de connexion radioélectrique 5G

Sur le web, on trouve deux procédures de connexion radioélectrique :

  • l’une antérieure à la Release V15.4.0 (par exemple : 3GPP TS 38.401 V15.3.0 (2018-09)) où l’on retrouve les mêmes messages que la procédure de connexion radioélectrique 4G
  • la version officielle pour laquelle les messages sont dorénavant les suivants (message RRC similaire en supprimant le mot Connection)

Figure 4 : Les messages RRC pour la demande d’accès aléatoire en 5G

Ainsi, en s’appuyant sur la Figure 8.1-1: UE Initial Access procedure du document 3GPP TS 38.401 V.15.4 ou supérieure (jusqu’à V16.2), on observe le call-flow suivant.

Figure 5 : La procédure d’accès initiale en 5G

 

6) Conclusion

La procédure d’accès initiale en 4G et 5G reste assez similaire, l’approche simplifiée de cet article ne permet pas d’entrer dans les détails de la sélection de faisceau pour l’accès initial 5G. Je prendrai le temps dans un prochain article pour le détailler.