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5G – DSS – Partie 4

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III) Conclusion

Le partage dynamique de la bande 4G/5G permet d’apporter de la 5G au niveau des cellules 4G sans avoir besoin de recourir au refarming. Les opérateurs planifient néanmoins l’allocation de la bande 4G aux usages 5G dans les années à venir (figure 20).

Figure 20 : L’usage de la bande 4G/5G dans les années à venir

En contrepartie, la méthode DSS complexifie la gestion radioélectrique entre les signaux 4G et les signaux 5G.

La spécification 3GPP propose 3 méthodes (figure 21) :

  • basée sur la sous-trame MBSFN,
  • basée sur le mini-slot ;
  • basée sur l’adaptation de bloc de ressource.

Figure 21 : Les options de déploiement DSS [2]

  1. L’option 1 est basée sur la sous-trame MBSFN. Les 12 symboles de la sous-trame est dédiée aux communication 5G. Aucun trafic 4G n’est possible sur cette sous-trame. L’option 1 permet d’utiliser sans contrainte les 12 symboles de la sous-trame pour émettre en 5G quelle que soit la numérologie µ.
  2. L’option 2 utilise la notion de mini-slot standardisée pour les transmission 5G. Un mini-slot exploite 2, 4 ou 7 symboles OFDM. La transmission mini-slot a été spécifiée par la 3GPP pour les cas d’usage URLLC en proposant de transmettre à tout moment pour réduire la latence. Pour ne pas interférer avec les signaux CRS, les mini-slot sont transmis lorsqu’il n’y pas de signaux de référence à émettre.
  3. L’option 3 est généralement celle déployée par les opérateurs. Cette option s’appuie sur le procédé de poinçonnage (puncturing). La station de base peut du trafic 5G sur l’ensemble du canal de trafic PDSCH sauf sur les éléments de ressource utilisée pour la transmission des signaux de référence. L’allocation de ressource peut être réalisée par élément de ressource ou par ressource bloc. Par élément de ressource, seul l’élément de ressource RE (Resource Element = 1 symbole) contenant le signal CRS est exclu. Dans le cas d’adaptation par bloc de ressource RB (Resource Bloc), c’est le RB en entier qui est exclu pour la transmission 5G.

L’efficacité spectrale est meilleure dans le cas de l’adaptation par élément de ressource (RE) néanmoins elle n’est possible que lorsque la station de base 5G fonctionne avec un écart entre sous-porteuse de 15 kHz comme dans le cas de la station de base 4G.

Si l’espacement entre sous-porteuses 5G est de 30 kHz, alors seul le procédé de poinçonnage par bloc est possible.

La transmission par mini-slot était initialement prévue pour ne pas faire de poinçonnage.

Parmi ces 3 options, la 3ème option est la plus efficace spectralement mais elle est limitée au cas ou l’espacement entre sous-porteuses 5G est de 15 kHz. Lorsque l’espacement est de 30 kHz, l’option 1 ou 2 peuvent être utilisées avec une préférence pour l’option 2. Celle-ci se révèle moins efficace comme le montre la table 2.

Table 2 : L’adaptation de débit RE (par slot) /RB (par mini-slot)

Pour le lien montant, le terminal 4G utilise la méthode SC-FDMA pour réduire la consommation énergétique. La spécification 4G a imposé un décalage fréquentiel de 7,5 kHz par rapport au signal descendant. Pour la 5G, le terminal utilise soit la méthode SC-FDMA soit la méthode OFDMA. Ce décalage de fréquence ne permet plus d’assurer l’orthogonalité entre les sous-porteuses 4G et 5G. Pour pallier à ce décalage, la 5G DSS sur le lien montant est décalé de 7,5 kHz afin d’être aligné sur la transmission montante LTE.

Figure 22 : L’alignement des fréquences 4G/5G sur le lien UL

La table 3 résume les caractéristiques DSS avec les différentes versions de la spécification 3GPP

Table 3 : Les caractéristiques DSS

Références

[1] https://images.samsung.com/is/content/samsung/p5/global/business/networks/insights/white-papers/0122_dynamic-spectrum-sharing/Dynamic-Spectrum-Sharing-Technical-White-Paper-Public.pdf

[2] https://www.sharetechnote.com/html/Handbook_LTE_MBSFN.html

[3]https://newsletter.mediatek.com/hubfs/mediatek5gprogress/Dynamic-Spectrum-Sharing-WhitePaper-PDFDSSWP-031320.pdf

[4] https://www.keysight.com/fr/en/assets/7120-1249/application-notes/Dynamic-Spectrum-Sharing-DSS-Functional-and-Performance-Verification-with-Keysight-Nemo-Tools.pdf?success=true

5G – DSS – Partie 3

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II-2) Les sous-trames MBSFN

Initialement, la transmission MBSFN a été standardisée dans la spécification R.9 pour des contenus télévisuels : le terminal mobile reçoit un flux IP en provenance de plusieurs stations de bases. Celles-ci émettent simultanément le même flux et sur la même fréquence.

Figure 14 : La synchronisation des zones de services MBSFN [2]

Cela nécessite une synchronisation des stations de base. On synchronise les stations de base dans une aire MBSFN. Une station de base peut appartenir à deux aires MBSFN.

La présence de canaux physiques PMCH est indiquée au mobile via les messages d’informations systèmes LTE SIB2/SIB13 (System Information Block).

Une trame 4G en mode FDD est composée de 10 sous-trames. La sous-trame 0 et la sous-trames 5 émettent le canal de synchronisation. Les sous-trames 0, 4, 5 et 9 sont réservées pour transmettre des notifications (paging). Ainsi, les sous-trames MBSFN candidates sont les sous-trames 1, 2, 3, 6, 7 et/ou 8.

L’information SIB2 indique la position des sous-trames MBSFN.

 

Figure 15 : La position des trames MBSFN [2]

La valeur OneFrame positionnée à 1 indique la présence d’une sous-trame MBSFN.

L’information portée par le canal SIB13 concerne le paramétrage radio du canal de contrôle MCCH (MBSFN Control Channel).

La sous-trame MBSFN est découpée en deux région :

  • une région Non-MBSFN qui correspond au canal de contrôle PDCCH. Ce dernier est imposé sur toute la largeur de bande 4G et sur un ou deux symboles OFDM. La région Non-MBSFN porte les canaux PHICH, PCFICH et PDCCH ;
  • une région MBSFN qui a pour objectif de porter les données utiles de diffusion PMCH (Physical Multicast Channel) et des signaux de références.

L’évolution eMBSFN rajoute des signaux de références afin de pallier aux différences sources de transmissions qui sont reçues de la part du mobile comme des échos (le même signal est transmis simultanément et sur les mêmes fréquences mais à des endroits différents).

Le signal est transmis sur des sous-porteuses OFDM espacées de 15 kHz ou 7,5 kHz ou 1,25 kHz.

Figure 16 : Les signaux de références MBSFN

La méthode DSS peut exploiter une ou plusieurs trames MBSFN, en profitant des 12 symboles de la sous-trame pour diffuser le canal 5G SSB espacée de 15 kHz ou 2*12 symboles si l’espacement est de 30 kHz. La sous-trame MBSFN peut également être utilisée pour transmettre à la fois le canal de contrôle (CORESET) et de trafic.

La figure 17 présente un exemple de trame émise avec une sous-trame MBSFN (3ème sous-trame). Les autres sous-trames sont nommées sous-trame non-MBSFN.

Figure 17 : La transmission 4G-LTE avec une sous-trame MBSFN

La transmission DSS par sous-trame MBSFN est plus efficace à la méthode par slot comme le montre la figure 18 pour le cas de la R16 (correspondance type B avec 9 symboles)

Figure 18 : Comparaison de la méthode DSS par mini-slot et par sous-trame MBSFN

Toutefois, l’intérêt principal de la sous-trame MBSFN est la possibilité de transmettre le bloc SSB et les canaux PDCCH.

Figure 19 : La sous-trame MBSFN et la transmission des blocs SSB [3]

En général, la sous-trame MBSFN est utilisée pour émettre le bloc de synchronisation SSB avec un espacement entre sous-porteuses de 30 kHz.

5G – DSS – Partie 2

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2. Les options DSS

La méthode DSS permet de partager de manière dynamique la bande radioélectrique pour émettre des signaux RF vers des mobiles 4G et en même temps, sur d’autres éléments de ressources disponibles des signaux RF vers des mobiles 5G.

La spécification 3GPP propose 3 méthodes mais l’implémentation est laissée libre à l’équipementier. Les 3 options sont :

  • Option 1 : sous-trames MBSFN (Multicast-Broadcast Single Frequency Network) ;
  • Sous-trames basées sur l’adaptation de débit :
    • option 2 : de type-B (par mini-slot) ;
    • option 3 : de type-A (adaptation CRS – CRS rate matching)

La sous-trame MBSFN est une technologie 4G pour transmettre des informations vers plusieurs mobiles simultanément et s’insère de manière transparente dans une transmission 4G. Dans le cas de la transmission MBSFN (à partir de la R.9), le canal de contrôle 4G-PDCCH exploite deux symboles pour libérer 12 symboles eMBMS (enhanced MBMS). L’inconvénient de cette méthode est la réduction du débit 4G notamment lorsque les sous-trames MBMS sont fréquemment transmises.

Ainsi, les sous-trames basées sur l’adaptation de débit sont plus flexibles et exploitent de manière plus efficace les éléments de ressources non exploités 4G-LTE.

L’option 3 consiste à transmettre le signal 5G sur les slots 4G mais en supprimant (puncturing) les éléments de ressources 5G lorsque le signal 4G doit émettre des signaux de références 4G-CRS. L’option 3 est ainsi la méthode la plus efficace spectralement. Mais, celle-ci n’est possible que lorsque l’espacement entre sous-porteuses 5G est de 15 kHz.

II-1) L’adaptation de débit

La transmission NR est définie par la notion de slot dans le domaine temporel. Un slot est composé de 14 symboles. Le canal de données PDSCH est transmis dans un slot, mais n’occupe pas obligatoirement le slot en entier.

La 3GPP a spécifié deux types de transmissions NR PDSCH, nommée Type A et Type B qui définit l’association du canal NR PDSCH avec le signal de référence NR DMRS :

  • La transmission basée sur un slot : Transmission de type A. Le signal de référence NR DMRS est positionné sur le symbole 2 ou 3, et le canal NR PDSCH est défini par deux paramètres : Le début du canal dans le slot (Start) et la longueur en nombre de symboles occupés dans le slot (Length). Ce paramètre nommé SLIV (Start Length Indicator Value).
  • La transmission basée sur un mini-slot : Transmission de type B. Le mini-slot correspond à 2, 4 ou 7 symboles et le signal de référence NR DMRS est positionné sur le premier symbole dans le domaine temporel du mini-slot.

La table 5.1.2.1-1 de la spécification 38.214 spécifie les valeurs SLIV possibles :

Table 1 : Les valeurs possibles pour la position du canal 5G-PDSCH dans un slot

Se référer à l’article précédent pour la compréhension du SLIV.

Pour la transmission de type A, le canal NR PDSCH démarre au symbole 0,1,2 ou 3.

Sur la figure 5, pour la transmission de type A, le canal NR PDSCH démarre à la position 0 et pour la transmission de type B, le canal NR PDSCH démarre au slot 7.

Figure 5 : La transmission NR-PDSCH (à gauche par slot, à droite, mini slot)

Le mode de duplexage TDD de l’interface 5G-NR est basée sur le temps d’un symbole, pour la transmission descendante NR-PDSCH de type A, il est également possible de transmettre moins de 12 symboles. A titre d’exemple, la figure 6 présente une transmission sur 5 symboles.

Figure 6 : La transmission du canal NR-PDSCH sur 9 symboles, canal associé au signal de référence DM-RS sur le symbole 2 uniquement (dmrs_additionnal=0)

Pour améliorer la démodulation, il est possible d’associer plusieurs signaux de références NR DMRS (figure 7).

Figure 7 : La transmission NR-PDSCH sur 14 symboles avec l’ajout de signaux de référence

L’adaptation de débit consiste à exploiter l’allocation radioélectrique LTE et d’insérer le canal NR PDSCH et les signaux de références 5G sans interférer avec les signaux de références 4G CRS.

Il est donc nécessaire de poinçonner le canal NR-PDSCH car il n’est pas possible de poinçonner les signaux de références DMRS.

II-1-a) Adaptation de débit par slot

L’adaptation de débit par slot s’appuie sur la transmission du canal NR PDSCH avec le signal de référence NR DMRS associé sur le slot 2 ou 3 (Mapping type A).

La figure 8 reprend l’allocation de ressources LTE et les schémas d’allocation de ressource NR.

Figure 8 : L’adaptation de débit par slot (NR-PDSCH de type A) [3]

Sur la figure 8, les deux premiers symboles sont réservés pour la transmission du canal de contrôle 4G- PDCCH. Ainsi, la position du signal NR-DMRS est située sur le symbole 3 avec éventuellement un ajout du signal de référence NR-DMRS sur le symbole 12 ou deux ajouts du signal de référence NR DMRS sur les symboles 7 et 11.

Sur la figure 8, on prend comme hypothèse que le signal de référence 4G-CRS est transmis sur 2 ports d’antennes. Dans l’hypothèse ou 4 ports seraient utilisés, il faut reprendre la figure 2. En effet, les signaux de références CRS sont transmis sur deux sous-porteuses et 4 symboles (position 0, 4, 7 et 11) pour deux ports d’antennes. Avec 2 ports d’antennes supplémentaires, deux symboles additionnels à la position 1 et 8 portent le signal de référence par sous-porteuses.

Le signal de référence NR-DMRS ne pouvant pas être poinçonné, il ne peut pas être transmis lorsque les signaux de référence 4G-CRS sont émis.

Par contre, le canal NR-PDSCH peut être poinçonné. Ainsi dans le cas de la figure 8, celui peut être transmis sur symboles 7 et 11 sauf sur les sous-porteuses qui transportent le signal de référence 4G-CRS.

II-1-b) Transmission DSS par mini-slot

La transmission DSS par mini-slot s’appuie sur la transmission du canal NR PDSCH correspond à 2, 4 ou 7 symboles associé au signal DMRS en début de transmission du canal NR PDSCH (Mapping type B).

Figure 9 : La transmission DSS par mini-slot (R.15)

La spécification R.16 propose d’étendre la taille du canal NR PDSCH à 10 symboles.

Figure 10 : La transmission DSS par mini-slot (R.16)

Il est à noter que dans cette proposition, le signal de référence NR DMRS associé au canal NR PDSCH n’est plus positionné en début de transmission mais après le slot poinçonné.

II-1-c) Transmission du bloc SSB

Un bloc de synchronisation et de diffusion 5G (SSB) est transmis sur 4 symboles consécutifs. Si l’espacement entre sous-porteuses est de 15 kHz, alors on ne peut pas utiliser la méthode précédente pour transmettre le bloc SSB. Si par contre l’espacement entre sous-porteuses est de 30 kHz, dans ce cas il est possible d’émettre un seul bloc SSB.

En effet, comme le montre la figure 11, la durée d’un symbole est inversement proportionnelle à l’espacement entre sous porteuses.

 

 

Figure 11 : La relation entre espacement fréquentielle et durée d’un symbole

Ainsi, la durée de deux symboles de la zone 4G correspond à la durée de :

  • 2 symboles NR pour espacement de 15 kHz ;
  • 4 symboles NR pour un espacement entre sous-porteuses de 15 kHz.

Cependant, dans le cas où l’on souhaiterait émettre plusieurs blocs SSB consécutifs (Beamforming Sweeping), la seule solution est d’utiliser des sous-trame MBSFN.

Figure 12 : La transmission de bloc SSB

La figure 13 présente les opportunités pour transmettre des blocs SSB avec la contrainte de ne pas interférer les signaux de références.

 

Figure 13 : La transmission simultanée du bloc SSB et des signaux de références 4G-CRS

 

 

5G – DSS – Partie 1

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1. Introduction

Le déploiement de la 5G actuellement en cours par les opérateurs s’effectue soit sur la nouvelle bande de 3,5 GHz, soit sur une bande 4G à 700 MHz ou 2100 MHz. Seule l’exploitation de la nouvelle bande à 3,5 GHZ permet d’augmenter les débits de transmission. L’utilisation de la bande à 700 MHz ou 2100 MHz permet d’émettre un signal 5G en exploitant une partie de la bande 4G. Ainsi le débit obtenu en 5G s’obtient en réduisant en contrepartie le débit 4G (dans un ordre de grandeur assez proche).

Dans ce cas de déploiement de la 5G sur une bande actuellement utilisée par la 4G, il ne s’agit pas de refarming car on ne ré-affecte pas le spectre 4G pour la 5G mais la station de base procède à la gestion dynamique de spectre.

Figure 1 : La différence entre re-farming et DSS [1]

Le re-farming n’est pas possible car d’une part dans le fonctionnement de la 5G-NSA il est nécessaire de conserver la connexion radioélectrique 4G mais en plus, le nombre d’utilisateurs 4G est trop élevé pour basculer une partie du spectre 4G vers la 5G. Il faut ainsi attendre plusieurs années avant d’envisager du re-farming (cet argument est valable quelle que soit la technologie).

Figure 2 : Le déploiement de la 5G et les bandes allouées

Les opérateurs déploient donc une autre technologie, nommée DSS (Dynamic Spectrum Sharing) qui consiste à partager en temps réel les allocations de ressources radioélectriques entre une allocation 4G-LTE et une allocation 5G-NR sans impacter les utilisateurs 4G, c’est-à-dire en permettant aux terminaux 4G de pouvoir toujours exploiter la bande de fréquence LTE.

La technologie DSS est possible car la 5G se repose sur le LTE (beaucoup de similitudes : OFDM avec un espacement entre sous-porteuses identiques ou multiples de 2, précodage identique, modulation identique, …) toutefois cela impose le respect des contraintes suivantes :

  • pas d’interférence sur les signaux de références 4G : CRS et CSI-RS ;
  • pas d’interférence sur le canal de contrôle 4G-PDCCH ;
  • séparation des signaux de synchronisation PSS/SSS en 4G et du signal de synchronisation SSB en 5G. L’un et l’autre doivent être transmis sans interférence.

L’allocation des ressources 4G-LTE est gérée toute les 1 ms, les informations de contrôles 4G-PDCCH sont allouées sur toute la bande et l’allocation des signaux de références CRS et CSI-RS est assignée par un paramétrage statique qui dépend du nombre de port d’antennes supporté par la station de base 4G eNB.

Les signaux de références CRS sont transmis sur chaque bloc de ressources (12 sous porteuses) à raison de (figure 2) :

  • 4 éléments de ressources (RE) sur un slot (0,5 ms en 4G) pour une antenne ;
  • 8 RE sur un slot (0,5 ms en 4G) pour deux antennes ;
  • 12 RE sur un slot pour quatre antennes.

Pour plus d’information, se référer à l’article http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2021/02/18/cours-2-niveau-master-chap-1-part-3/

Figure 3 : La position des éléments de ressources 4G-CRS

Les signaux de références 4G-CRS permettent au mobile de mesurer le niveau de puissance de chaque cellule (serveuse et voisines) et d’en déduire ainsi la qualité du lien radioélectrique (RSRP, RSRQ). Pour ne pas fausser les mesures, il est proscrit de transmettre des données sur le même élément de ressource (allocation dans le domaine fréquentiel – sous porteuse – et temporel –symbole-) qu’un signal de référence. La configuration des signaux de références CRS dépendent du numéro PCI (Physical Cell Identifier) de la cellule et du nombre de ports d’antennes (permettant de faire du MIMO). L’ingénierie radioélectrique va s’assurer que les stations de base voisine (PCI) respectent cette contrainte.

Les signaux de référence 4G-CRS utilise 4,76% des ressources 4G-LTE pour un seul port d’antenne et atteint 14,29% de ressources LTE pour 4 ports d’antennes. Au-delà de 4 antennes, le signal de référence émis est le CSI-RS qui nécessite moins de ressources.

Le canal de contrôle PDCCH est transmis sur toute la bande 4G-LTE dans le domaine fréquentiel et sur un, deux ou trois symboles dans le domaine temporel. Le nombre de symboles du canal PDCCH est défini par la station de base eNB en fonction du trafic. Le mobile prend connaissance du nombre de symboles de la zone du canal de contrôle PDCCH à partir de l’information portée par le canal PCFICH (figure 4).

L’allocation des ressources pour la 5G-NR est plus flexible, les informations de contrôle 5G-PDCCH sont transmises dans des bloc CORESET (COntrol REsource SET). Toutefois, les signaux de référence 5G-NR ne doivent pas non plus être interférés par la transmission 4G.

Figure 4 : L’allocation des canaux sur le réseau LTE

Enfin, les signaux de synchronisation 4G PSS/SSS sont transmis avec une périodicité de 5 ms en milieu de bande et le canal de diffusion 4G PBCH est transmis en milieu de bande toutes les 10 ms.

Pour qu’un terminal mobile 4G ne soit pas perturbé par la méthode DSS, il faut obligatoirement respecter les contraintes précédentes : le partage de la bande radioélectrique 4G/5G ne peut se faire simultanément et sur les mêmes fréquences que les signaux 4G : CRS, PSS, SSS, PBCH et PDCCH.

La méthode DSS permet donc d’utiliser des éléments de ressources 4G-LTE sans interférer avec les canaux de contrôles et les signaux de références 4G pour transmettre un signal 5G sur les ressources non-utilisées. Toutefois, les ressources 4G non-exploitées doivent permettre la transmission des canaux de contrôle, du bloc de synchronisation 5G-SSB et des signaux de référence 5G.