Archives du mot-clef commondriftvariation

Comprendre la 5G – NTN Part 2

Posté le by - 53 vues
Répondre

Suite de l’article Comprendre la 5G – NTN Part 1

Le Timing Advance (TA) : Compenser le Délai de Propagation

Principe Fondamental du TA

Le Timing Advance est un mécanisme fondamental des réseaux de mobiles (cf. 3GPP TS 38.213 pour la 5G NR – Section 4.2). Son objectif est de garantir que les transmissions uplink de tous les UEs arrivent synchronisées à la station de base (gNB ou satellite).

Sans TA, les transmissions de différents UEs situés à des distances variables arriveraient à des instants différents, causant des interférences inter-symboles et dégradant les performances du système.

Le principe : L’UE avance temporellement sa transmission uplink d’une valeur TA pour compenser le délai de propagation, de sorte que : T_arrivée_gNB = T_transmission_UE + T_propagation – TA ≈ T_référence

Calcul du TA dans les Réseaux Terrestres

Dans les réseaux terrestres (TS 38.213 pour la 5G), le TA est calculé par le gNB en mesurant la différence de temps entre la réception du signal Uplink et le début de la sous-trame dédiée à la réception de ce message. Le gNB envoie ensuite des commandes de TA à l’UE via :

  • Timing Advance Command (TAC) dans le Random Access Response (RAR) afin de calculer la valeur du TA initial. On parle de boucle ouverte et le gNB mesure la différence de temps entre la réception du préambule d’accès RACH et la sous-trame dédiées à la réception des RACH
  • TA adjustments via des commandes MAC CE (Control Element) permettant de compenser en boucle fermée la variation du TA lorsque l’UE se déplace. On compense ainsi le delta supplémentaire lorsque l’UE se déplace par rapport à la valeur du TA précédent.

Ajustement en boucle ouverte

La valeur de TA est quantifiée en unités de Tc (temps d’échantillonnage de base) :

TA = NTA × Tc.

On retrouve parfois en 4G-LTE le calcul suivant 1 TA = 16 Ts avec Ts = 1/(15000 × 2048) ≈ 32,55 ns (durée d’échantillonnage de base).

En NR (5G) :

  • TA dépend de la numérologie (SCS – Subcarrier Spacing)
  • Pour SCS = 15 kHz : 1 TA unit = 16 × 64 Tc ≈ 0,51 μs
  • Pour SCS = 30 kHz : 1 TA unit = 16 × 64 Tc / 2
  • Tc = 1/(480000 × 4096) (période d’échantillonnage de base)

Avec Tc ≈ 0.509 ns on peut calculer l’erreur de distance : 0,51 μs / 2× c ≈ 78 m

En boucle ouverte, le gNB transmet la valeur TA absolue

  • NR : MAC CE « Absolute Timing Advance Command » Absolute : 12 bits (valeur complète) Le calcul est le suivant : TA = TA_command × N_TA
  • TA_command : valeur reçue (0 à 4095 pour 12 bits)
  • N_TA : granularité qui dépend de la numerology (SCS)

Granularité N_TA selon le SCS :

  • μ = 0 (SCS 15 kHz) : N_TA = 16 × 64 Tc
  • μ = 1 (SCS 30 kHz) : N_TA = 16 × 64 Tc / 2¹ = 16 × 32 Tc
  • μ = 2 (SCS 60 kHz) : N_TA = 16 × 64 Tc / 2² = 16 × 16 Tc
  • μ = 3 (SCS 120 kHz) : N_TA = 16 × 64 Tc / 2³ = 16 × 8 Tc

Le TA est codé sur :

  • 11 bits en LTE : valeurs de 0 à 2047
  • 12 bits en NR : valeurs de 0 à 3846 (valeurs utilisables max actuellement)

Distance maximale :

  • LTE : 2047 × 78 m ≈ 160 km
  • NR (15 kHz) : environ 200 km

Ajustement en boucle fermée

Une fois la connexion établie, le réseau effectue des ajustements fins du TA. Commandes TA :

  • LTE : MAC CE (Control Element) « Timing Advance Command »
    • 6 bits : valeurs de 0 à 63
    • Représente un ajustement relatif : TA_new = TA_old + (TA_command – 31) × 16 Ts
    • Plage : ±31 unités TA (±1,6 km environ)
  • NR : MAC CE  » « Relative Timing Advance Command »
    • Relative : 6 bits (ajustement incrémental)

Pour le TA relatif

TA_new = TA_old + (TA_adjustment – 31) × N_TA

Timer TA :

  • timeAlignmentTimer : si l’UE ne reçoit pas de commande TA pendant cette durée, elle considère que le TA n’est plus valide
  • Valeurs typiques : 500 ms à 10 s
  • Expiration → l’UE doit refaire un RACH

TA Offset dans le réseau terrestre

Le TA offset est un désalignement intentionnel entre les trames downlink et uplink qui est transmis par le paramètre 5G NR n-TimingAdvanceOffset diffusé par un message RRC SIB.

Valeurs possibles : •

  • n0 : TA_offset = 0 (comportement par défaut)
  • n25600 : TA_offset = 25600 Tc ≈ 13 μs
  • n39936 : TA_offset = 39936 Tc ≈ 20 μs

Le TA_offset vaut 0 dans le cas FDD (les trames UL et DL sont synchronisées en temps sur des bandes de fréquences différentes.

Dans le cas TDD il faut prendre en compte le délai du temps de garde (Special). Exemple de pattern TDD (D = Downlink, U = Uplink, S = Symbole flexible)

  1. Slot n : DDDDDDDDDDDDD (tout DL)
  2. Slot n+1 : DDDSUUUUUUUUU (DL + spécial + UL)
  3. Slot n+2 : UUUUUUUUUUUUU (tout UL)

Le Ta_offset permet de prendre en compte ce délai. Ainsi en 5G pour les réseaux terrestres, TA=(N_TA+N_TAoffset).Tc

Ainsi en 5G pour les réseaux terrestres, TA=(N_TA+N_TAoffset).Tc

TA Pré-Compensé en NTN : Une Approche différente

Alors que pour le réseau terrestre la valeur du TA est calculée par la station de base, l’évolution majeure pour les terminaux 5G NTN est la capacité à pré-calculer le TA.

Pré-calcul du TA

En NTN, les délais de propagation sont beaucoup trop importants. Le 3GPP a introduit un concept dans le TS 38.821 : le TA pré-compensé (pre-compensated TA).

Dans le cas du réseau non terrestre, l’UE communique vers un satellite et le satellite transmet le trafic vers une passerelle satellitaire terrestre. On parle de lien de service le lien entre l’UE et le satellite et de lien de feeder, le lien entre le satellite et la passerelle satellitaire terrestre.

Figure 1 : Liaison NTN

Le standard 3GPP propose actuellement 2 architectures 5G NTN :

  • Architecture Transparente
  • Architecture Regénérative

Dans l’architecture transparente, la station de base est au sol, c’est-à-dire après la passerelle terrestre. Le temps de propagation radio aller/retour prend en compte le temps de propagation sur le lien de service et sur le lien du feeder.

Dans l’architecture régénérative, la station de base est située dans le satellite. Le temps de propagation radio prend en compte le temps de propagation sur le lien de service uniquement.

Principe du Pré-calcul

L’idée clé est que l’UE calcule lui-même la valeur du TA en utilisant :

  1. Les éphémérides du satellite : Position et vitesse du satellite, diffusées dans les System Information Blocks (SIB19 selon TS 38.331)
  2. Sa propre position GNSS : Latitude, longitude, altitude obtenues via GPS/Galileo/etc.
  3. Le temps de référence commun : Fourni par le satellite

Le calcul du TA pré-compensé suit la formule (TS 38.821, Section 6.3.1.1) :

TA_precomp = (d_UE→SAT + d_SAT→GW) / c

où :

  • d_UE→SAT = distance UE vers satellite (calculée géométriquement)
  • d_SAT→GW = distance satellite vers gateway (fournie dans SIB19)
  • c = vitesse de la lumière

Calcul Géométrique de la Distance UE-Satellite

La distance UE-satellite se calcule en coordonnées ECEF (Earth-Centered, Earth-Fixed) :

d_UE→SAT = √[(X_sat – X_UE)² + (Y_sat – Y_UE)² + (Z_sat – Z_UE)²]

Les coordonnées du satellite (X_sat, Y_sat, Z_sat) sont dérivées des éphémérides, tandis que les coordonnées de l’UE (X_UE, Y_UE, Z_UE) sont converties depuis ses coordonnées GNSS (latitude, longitude, altitude).

Mais, un satellite LEO se déplace environ à 28000 km/h (7,8 km/s). Le délai de propagation varie donc entre le sens montant et le sens descendant.

Figure 2 : La distance entre le satellite et l’UE en fonction de la position du satellite (Rohde et Schwarz)

Figure 3 : Le temps RTT sur le lien de service (Rohde et Schwarz)

Lorsque l’UE envoi une demande d’accès aléatoire à l’instant t0, la 3GPP propose de calculer le RTT à partir :

  • du délai t1 entre l’UE et le satellite (lien de service). Le satellite reçoit la demande d’accès à l’instant t1 et le transmet à la passerelle. Il est nécessaire de connaitre la position du satellite à l’instant t1.
  • du temps RTT_feeder nommé t2 entre le satellite et la passerelle terrestre.
  • du délai satellite-UE (lien de service) à l’instant t2. Il est donc nécessaire de connaitre la position du satellite à l’instant t2.

Pour calculer la position du satellite à l’instant t1 et t2, l’UE connait :

  • le temps de référence tepoch. Celui-ci correspond par exemple à l’instant de le sous-trame n°5
  • des informations éphémérides du satellite
    • Sa position à l’instant tepoch
    • Son vecteur vitesse à l’instant tepoch
    • Son vecteur accélération à l’instant tepoch

Toutefois, en connaissant la position de l’UE et du satellite (à l’instant t0, t1 et t2), il est possible de localiser la position de la passerelle satellitaire terrestre à partir du RTT_feeder. Afin de masquer cette information, la 3GPP propose une subtilité qui consiste à définir un point de référence sur le lien feeder nommé RP ou UTSRP (uplink time synchronization) comme point de référence.

Ainsi, la station de base diffuse dans le SIB19 les paramètres Common TA. Cette information (éphéméride et temps de référence tepoch) permet de calculer le RTT du lien feeder et s’applique donc à tous les UE :

  • Le délai NTA,common entre le point de référence et le satellite à l’instant tepoch
  • La vitesse NTA,commondrift entre le point de référence et le satellite à l’instant tepoch
  • L’accélération NTA,commondriftvariation entre le point de référence et le satellite à l’instant tepoch

Dans le cas ou l’architecture choisie par l’opérateur est l’architecture regénérative, alors les paramètres Common TA (NTA,common, NTA,commondrift, NTA,commondriftvariation) sont toutes égales à 0.

Ainsi le pré-calcul du TA effectué par l’UE est le suivant :

  • NTA,adjUE: avance temporelle estimée par l’UE lui-même pour pré-compenser le délai de la liaison de service. Elle est calculée à partir de :
    • La position de l’UE estimée via positionnement GNSS
    • La position estimée du satellite basée sur les informations d’éphémérides que l’UE possède
  • NTA,adjcommon est l’avance temporelle commune contrôlée par le réseau sur le lien feeder. Elle est dérivée des paramètres reçus par l’UE en provenance de la couche supérieure RRC SIB 19 et se calcule à partir du délai feeder à l’instant t1 et à l’instant t2 :
    • TACommon : estimation initiale du délai de propagation entre le satellite et la passerelle terrestre ou du point de référence
    • TACommonDrift : représente la vitesse de dérive de l’avance temporelle commune
    • TACommonDriftVariation (si configurés). Si non configurés, sa valeur par défaut est 0. Ce paramètre représente la variation (ou accélération) de la dérive du timing. Il modélise le fait que la vitesse de changement de distance n’est pas constante en raison de l’orbite non circulaire du satellite et d’autres facteurs.

Le délai vaut :

Tepoch est la référence temporelle qui correspond à l’instant où le récepteur UE doit recevoir une sous-trame définie. Cela permet d’avoir une référence de temps commune entre le réseau et l’UE.

Figure 4 : Le calcul du délai sur le feeder en fonction de la position du satellite à l’instant t

 

3.2 Timing Advance Résiduel

Même avec le TA pré-compensé, il subsiste une erreur due à :

  • Imprécisions de position GNSS de l’UE (quelques mètres)
  • Latence dans les éphémérides (propagation des SIB)
  • Délai de feeder link variable

Le réseau envoie donc encore des commandes TA résiduelles via MAC CE pour affiner l’alignement temporel. Ces corrections sont beaucoup plus petites qu’en réseau terrestre. Mais, de par la vitesse du satellite LEO, la variation de délai est de 40 µs toutes les 1 ms ce qui nécessite de mettre à jour régulièrement le TA lorsque l’UE est en mode connecté. La charge en signalisation est trop importante pour conserver ce mode de fonctionnement. Le pré-calcul du TA permet à l’UE de compenser automatiquement la variation du délai sur le lien de service et le lien de feeder.

Ainsi, si la station de base gNB mesure une différence de temps entre la réception de la sous-trame UL par rapport à la sous-trame de réception, cette différente étant négligeable, peut être  compensée par le gNB.

Ainsi, le TA global se calcule de la manière suivante :

Avec NTa,offset défini par le paramètre nr-TimingAdvanceOffset : Un offset supplémentaire appliqué au TA pour tenir compte de la configuration spécifique NTN (TS 38.213 Section 4.2).