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Comprendre la 5G – NTN Part 3

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Suite de l’article Comprendre la 5G – NTN Part 2

L’Ordonnancement Temporel : Koffset et Kmac

Le Problème de la Latence HARQ

Dans un réseau 5G NR terrestre, le mécanisme HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) suit un timing strict défini par le 3GPP TS 38.214 :

  1. Slot n : Transmission downlink du PDSCH
  2. Slot n+k : Réception de l’ACK/NACK dans le PUCCH uplink
  3. Slot n+k+k’ : Retransmission éventuelle

Les valeurs de k sont typiquement petites (4 à 8 slots) car le RTT terrestre est faible.

En NTN, avec un RTT de plusieurs millisecondes voire centaines de millisecondes, ces valeurs deviennent inadaptées. Le 3GPP a donc introduit Koffset et Kmac.

Le décalage Koffset associé au temps de propagation introduit une latence élevée pour l’acquittement. La 5G NTN propose d’augmenter le traitement en parallèle de 16 processus à 32 processus pour éviter un effondrement du débit par attente d’acquittement (HARQ Stalling). Mais la 3GPP propose également de désactiver le processus HARQ.

Koffset : Compensation du Délai de Propagation

Le paramètre Koffset est défini dans le TS 38.214 (amendements NTN) et représente un offset temporel additionnel pour compenser le délai de propagation NTN. Afin de comprendre l’intérêt de ce paramètre, revenons sur le cas d’usage de la 5G terrestre.

Lorsque la station de base envoie des informations de contrôle DCI, c’est pour :

  • Informer l’UE qu’il recevra des données en DL. L’UE répondra à la station de base en transmettant un acquittement HARQ.
  • Informer l’UE qu’il peut émettre des données en UL

La 5G terrestre définit des indicateurs K0, K1 et K2 :

  • K0 : retard entre la réception de l’information DCI et la réception des données sur le canal PDSCH
  • K1: retard entre la réception de l’information DCI et l’émission de l’acquittement sur le canal PUCCH
  • K2: retard entre la réception de l’information DCI et l’émission des données sur le canal PUSCH

La valeur de K0, K1 et K2 sont des paramètres d’ordonnancement fixés à la durée de quelques sous-trames. Par exemple K1 vaut 3 ms, ce qui signifie que la station de base s’attend à recevoir cet acquittement 3 ms après l’émission du DCI. Du point de vue de l’UE, celui-ci dispose de moins de 3 ms pour récupérer la trame radio, l’acquitter et l’envoyer à la station de base (il faut prendre en compte la propagation DL et UL donc le TA). Si le TA est supérieur à 3 ms, il est impossible que l’acquittement soit reçu sur la sous-trame dédié.

Figure 1 : L’acquittement émis par l’UE et reçu par le gNB

Dans le cas ou la commande DCI demande à l’UE de transmettre un paquet montant, ce paquet doit être reçu à K2+Koffset trames après la commande DCI. La valeur du Koffset garantit que le nombre de sous-trames pour la réception du paquet au niveau du gNB est supérieur au RTT maximal. Il s’agit bien d’un paramètre d’ajustement d’ordonnancement « grossier ».

Figure 2 : La réception du paquet UL reçu par le gNB (Rohde et Schwarz)

Définition et Calcul

Koffset = ⌈2 × T_propagation / T_slot⌉

où :

  • T_propagation = délai de propagation unidirectionnel UE↔satellite↔gateway
  • T_slot = durée d’un slot (dépend de la numérologie)

Exemple LEO (600 km, élévation 30°) :

  • Distance UE-satellite : ~693 km
  • Distance satellite-gateway : ~693 km
  • T_propagation : (693 + 693) km / c ≈ 4.6 ms
  • Avec SCS 15 kHz (T_slot = 1 ms) : Koffset ≈ 10 slots

Exemple GEO (35 786 km) :

  • Distance totale : ~80 000 km (UE-SAT-GW)
  • T_propagation : ~267 ms
  • Avec SCS 15 kHz : Koffset ≈ 534 slots

Application de Koffset

Koffset est appliqué aux relations temporelles suivantes (TS 38.214) :

Pour PDSCH → HARQ-ACK :

Slot_HARQ-ACK = Slot_PDSCH + K1 + Koffset

Pour DCI → PUSCH :

Slot_PUSCH = Slot_DCI + K2 + Koffset

où K1 et K2 sont les valeurs configurées normalement en NR terrestre.

Configuration de Koffset

Koffset peut être :

  1. Calculé par l’UE (mode pré-compensé) en fonction des éphémérides et de sa position
  2. Signalé par le réseau via les SIB ou RRC (mode transparent)

Le choix dépend de l’architecture NTN (transparent vs régénératif) et de la capacité de l’UE à calculer les paramètres temporels.

Kmac : Timing Advance pour la Couche MAC

Le paramètre Kmac est intimement lié au Timing Advance mais opère au niveau de la couche MAC. Il représente le délai à appliquer aux PDU MAC pour tenir compte du TA en NTN.

Distinction TA vs Kmac

  • TA (Timing Advance) : Appliqué au niveau physique (PHY), avance le timing de transmission RF

Kmac : Appliqué au niveau MAC, avance la préparation et l’envoi des MAC PDU à la couche physique

Figure 3 : La liaison NTN (illustration 3GPP)

Le point de référence correspond à l’alignement entre la trame physique UL et DL. Mais il faut prendre en compte la distance entre la couche MAC du gNB terrestre et le point de référence. La 3GPP propose un décalage UL/DL afin de compenser de manière transparente à l’UE.

Figure 4 : Les timers Koffset et Kmac (Rohde et Schwarz)

De plus, lorsque le satellite se déplace, il peut suspendre sa connexion feeder avec une passerelle terrestre (nommée passerelle source) et activer une connexion feeder avec une autre passerelle terrestre (nommée passerelle cible). Le routage IP est anticipé pour éviter d’avoir une latence importante, mais on peut imaginer que qu’avant routage la passerelle terrestre contient le gNB DU et le RRU et après routage, le gNB DU est resté sur la passerelle source et le RU est au niveau de la passerelle cible ce qui modifie le désalignement DL/UL.

Cas Pratiques et Dimensionnement

Scénario LEO (600 km)

Considérons un satellite LEO à 600 km d’altitude, avec un UE à une élévation de 30°.

Paramètres géométriques :

  • Distance UE-satellite : ~693 km
  • Distance satellite-gateway (supposé au nadir) : ~693 km
  • Distance totale : 1 386 km

Calculs temporels :

RTT = 2 × 1 386 / 300 000 ≈ 9.24 ms

TA_precomp = 1 386 / 300 000 ≈ 4.62 ms

Avec SCS 15 kHz (T_slot = 1 ms) :

Koffset = ⌈9.24⌉ = 10 slots

Kmac = ⌈4.62⌉ = 5 slots

Avec SCS 30 kHz (T_slot = 0.5 ms) :

Koffset = ⌈9.24 / 0.5⌉ = 19 slots

Kmac = ⌈4.62 / 0.5⌉ = 10 slots

Scénario GEO (35 786 km)

Pour un satellite géostationnaire :

Paramètres géométriques :

  • Distance UE-satellite : ~38 000 km (élévation 30°)
  • Distance satellite-gateway : ~40 000 km
  • Distance totale : ~78 000 km

Calculs temporels :

RTT = 2 × 78 000 / 300 000 ≈ 520 ms

TA_precomp = 78 000 / 300 000 ≈ 260 ms

Avec SCS 15 kHz :

Koffset = ⌈520⌉ = 520 slots

Kmac = ⌈260⌉ = 260 slots

Impact sur les Ressources Système

Ces valeurs importantes ont des conséquences majeures :

  1. Processus HARQ :
  • Nombre de processus HARQ nécessaires : Au moins RTT/TTI
  • En GEO avec SCS 15 kHz : 520 processus HARQ minimum
  • En NR terrestre : Typiquement 8-16 processus
  1. Mémoire requise :
  • Buffers MAC : Kmac × taille_MAC_PDU × nombre_UE
  • Buffers HARQ : RTT × débit_pic
  • En GEO : Plusieurs dizaines de MB par UE
  1. Complexité du scheduleur :
  • Fenêtre de scheduling : Kmac + Koffset slots
  • En GEO : Planification sur ~780 slots (7.8 secondes avec SCS 15 kHz)

Comprendre la 5G – NTN Part 1

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Cet article a été écrit avec la collaboration de Mohamed El Jaafari, expert Réseau radio 3GPP et satellitaire chez Thales AleniaSpace, et en attente de relecture.

Je remercie également Dorin Panaitopol, expert 3GPP chez Thales.

Mohamed El Jaafari est un des auteurs du livre 5G Non-Terrestrial Networks: Technologies, Standards, and System Design

Introduction

L’intégration des réseaux non-terrestres (NTN – Non-Terrestrial Networks) dans l’écosystème 5G New Radio (NR) constitue l’une des évolutions majeures des télécommunications modernes.

Initialement conçue pour des réseaux cellulaires terrestres, la 5G doit désormais s’adapter à des infrastructures hybrides capables d’assurer une connectivité via des satellites en orbite basse (LEO), moyenne (MEO) ou géostationnaire (GEO). Cette convergence entre réseaux terrestres et spatiaux est aujourd’hui considérée comme un élément structurant des futures architectures 6G.

Cependant, l’extension de la 5G NR vers les réseaux NTN ne consiste pas simplement à remplacer une station de base terrestre par un satellite. Les caractéristiques physiques des liaisons satellite-terre introduisent des contraintes radicalement différentes, notamment en matière de propagation radio et de synchronisation temporelle. Alors qu’un réseau terrestre traditionnel fonctionne avec des distances de quelques kilomètres entre l’UE et la station de base, les réseaux NTN doivent gérer des distances pouvant dépasser 36 000 km dans le cas des satellites GEO, entraînant des délais de propagation plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ceux des réseaux cellulaires conventionnels.

Ces délais ont un impact direct sur les mécanismes fondamentaux de la couche radio 5G NR. Les procédures de synchronisation temporelle, conçues à l’origine pour des environnements terrestres à faible latence, doivent être adaptées afin de maintenir l’orthogonalité des transmissions et garantir le bon fonctionnement de l’interface radio. Le 3GPP a ainsi introduit plusieurs évolutions spécifiques au NTN concernant notamment le Timing Advance (TA), l’estimation du Round-Trip Time (RTT) ainsi que les mécanismes d’ordonnancement temporel reposant sur les paramètres Koffset et Kmac.

Il faut séparer deux ajustements temporels complémentaires : •

  • Ajustement précis par le calcul du TA afin de se synchroniser au niveau de la station de base afin d’éviter les interférences inter-symboles
  • Ajustement grossier pour l’ordonnancement afin de laisser plus de temps au récepteur d’envoyer sa réponse. Cet ajustement a un impact sur la latence (Koffset et Kmac).

L’un des aspects les plus novateurs de cette évolution réside dans la capacité de l’UE à pré-calculer certaines corrections temporelles à partir de sa position géographique et des éphémérides satellites. Cette approche marque une rupture importante avec le fonctionnement des terminaux 5G terrestres traditionnels et soulève de nouveaux enjeux autour de la dépendance aux systèmes GNSS, de la complexité terminale et de l’expérience utilisateur.

À plus long terme, les travaux du 3GPP s’orientent vers des approches GNSS-free afin de supprimer la nécessité de pré-calculs basés sur la position de l’UE. Cette évolution est essentielle pour limiter la complexité des terminaux NTN et éviter qu’une dépendance aux capacités GNSS ne devienne un obstacle à la démocratisation du service satellite sur smartphone. On peut citer comme exemple l’échec de l’offre Unik qui imposait au client un changement de téléphone. L’offre Unik d’Orange était une offre de convergence fixe-mobile lancée vers 2006, basée sur la technologie UMA (Unlicensed Mobile Access), plus tard renommée GAN (Generic Access Network).

Dans cet article, nous allons analyser les principaux mécanismes temporels introduits pour la 5G NTN et comprendre comment le 3GPP adapte l’architecture NR afin de faire fonctionner efficacement des communications radio sur des liaisons satellitaires à très longue distance.

L’alignement de la trame

Le délai : UE – gNB terrestre

Dans un réseau terrestre classique (TN – Terrestrial Network), le délai  d’un signal entre un équipement utilisateur (UE) et une station de base (gNB) est typiquement de l’ordre de quelques microsecondes à quelques dizaines de microsecondes. L’allocation de ressource en 4G est basée sur la sous-trame d’une durée de 1 ms. L’allocation de ressource en 5G est basée sur le slot.

Si d est la distance entre l’UE et la station de base, le délai UE – gNB – UE est égal à 2*d/c, avec c la vitesse de la lumière (300 m en 1 µs).

Ainsi, pour une station de base située à 1,2 km, le temps de propagation radio RTT (Radio Round Trip Time ou two way radio latency) est de 8 µs.

On appelle :

  • RTT radio : Aller-retour UE ↔ gNB sur l’interface radio
  • End-to-end RTT : Aller-retour complet jusqu’au serveur/applicatif
  • HARQ RTT : Temps d’un cycle HARQ ACK/NACK
  • Ping RTT : RTT IP mesuré par ICMP

Le délai UE – Satellite – gNB

La situation change radicalement en NTN. Selon le 3GPP TS 38.821, les scénarios NTN considèrent :

Satellites LEO (Low Earth Orbit) :

  • Altitude : 400 kms à 1100 kms (600 km cas nominal)
  • Distance maximale UE-satellite : ~1 200 km (élévation minimale pour un satellite à 600 kms et un angle de 30°)
  • Delai UE – satellite – UE :  ~8 ms pour une distance de 1200 kms

Satellites GEO (Geostationary Earth Orbit) :

  • Altitude : 35 786 km
  • Distance maximale UE-satellite : ~41 000 km
  • Delai UE – satellite – UE maximal : ~270 ms

Ces valeurs de RTT sont supérieures à la durée d’un slot 5G NR (TS 38.211), ce qui pose des problèmes fondamentaux pour les mécanismes de synchronisation (alignement de trame) conçus initialement pour les réseaux terrestres.

Impact sur la Synchronisation Temporelle et l’effet Doppler

La durée élevée du délai UE – Satellite – UE et la vitesse élevée du satellite ont plusieurs conséquences critiques :

  1. Variation temporelle du délai : Pour les satellites LEO en mouvement, le délai change continuellement en raison du déplacement relatif du satellite par rapport à l’UE. Le délai de propagation devient asymétrique : Le signal montant (uplink) et le signal descendant (downlink) varie en fonction de la position du satellite pour les LEO non-géostationnaires.
  2. La fréquence Doppler : le satellite LEO se déplace à 28 000 km/h ce qui provoque un décalage élevé de la fréquence de réception.
  3. Budget temporel HARQ : Les mécanismes de retransmission automatique (HARQ) doivent être adaptés pour accommoder ces délais importants.

Le prochain article (Part2) mettra en avant les mécanismes pour pré-compenser le Timing Advance.