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 :
- Slot n : Transmission downlink du PDSCH
- Slot n+k : Réception de l’ACK/NACK dans le PUCCH uplink
- 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 :
- Calculé par l’UE (mode pré-compensé) en fonction des éphémérides et de sa position
- 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 :
- 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
- Mémoire requise :
- Buffers MAC : Kmac × taille_MAC_PDU × nombre_UE
- Buffers HARQ : RTT × débit_pic
- En GEO : Plusieurs dizaines de MB par UE
- Complexité du scheduleur :
- Fenêtre de scheduling : Kmac + Koffset slots
- En GEO : Planification sur ~780 slots (7.8 secondes avec SCS 15 kHz)