SDT – Small Data Transmission (2ème)

Posté le 8 mai 2022 by flaunay - 541 vues

Procédure d’accès aléatoire

La procédure d’accès aléatoire a pour objectif d’informer la station de base que le mobile souhaite être contrôlée par la station de base. Le mobile UE établit une procédure d’accès aléatoire dans les cas suivants :

Lorsque le mobile UE s’allume (ou en sortant du mode avion) ;
Lorsque le mobile UE met à jour sa localisation ;
Lorsque le mobile UE souhaite l’établissement d’une session PDU ou d’une connectivité PDN ;
En cas de H.O (procédure d’accès aléatoire sans contention).

Nous allons limiter notre étude au cas où le mobile souhaite l’établissement d’une connectivité PDN.

Figure 4 : La procédure d’accès aléatoire

Le message 1 émit par le mobile est transmis avec une puissance initiale P₁ estimée à partir du signal de synchronisation reçu (mesure RSRP). En cas de non réponse, le mobile incrémente sa puissance d’émission. Le mobile transmet le préambule et l’identifiant de 16 bits RA-RNTI, lequel est calculé de la manière suivante :

Dans le cas du NB-IoT, les sous-porteuses sont espacées de 3,75 kHz ce qui permet d’avoir 48 sous-porteuses dans une RB de 180 kHz. Afin de réduire les risques de collision, le préambule est transmis sur 4 sous porteuses choisies pseudo-aléatoirement parmi 12 sous-porteuses consécutives via un motif de Frequency Hopping.

La station de base scrute dans les sous-trames correspondantes (cf. Table 3) la réception de préambules. En cas de détection d’un préambule, la station de base émet un message RAR Random Access Response dans le canal physique PDSCH en indiquant la présence du message RAR par une information de contrôle DCI_1 émise dans le canal PDCCH. L’information DCI_1 portée par le canal PDCCH est embrouillée par l’identifiant RA-RNTI. Le mobile UE attend la réponse de la station de base dans une fenêtre temporelle. La durée de la fenêtre temporelle n’est pas définie dans la norme mais est diffusée dans le message SIB via le paramètre rar-WindowLength IE.

Le RAR contient :

La valeur du préambule (RAPID : Random Access Preamble Id)
Le paramètre de Timing Advanced.
Les informations d’ordonnancement permettant d’indiquer au mobile UE les ressources radioélectriques que ce dernier devra utiliser pour l’émission du message subséquent ainsi que le schéma de modulation MCS.
L’allocation de ressource (UL Grant) pour la réponse du mobile vers la station de base
L’identifiant radioélectrique temporaire T-RNTI

Le mobile UE conserve la valeur T-RNTI et transmet son message 3 RRC Connection Request au niveau des ressources tempo-fréquentielles indiquées par la station de base dans le message 2 (UL Grant/RB Assignment). Le message est court (80 octets) et contient l’identité du mobile (TMSI ou une valeur aléatoire). L’identité radioélectrique T-RNTI transmis dans le message précédent est utilisé pour embrouiller le CRC du signal PUSCH montant.

Le message 4 (RRC Connection Setup) est utilisé pour lever la contention. En effet, si 2 mobiles UE ont transmis dans l’étape 3 son identifiant TMSI ou une valeur aléatoire (en estimant de droit que le message 2 lui était destiné), la station de base transmet l’allocation de ressource pour les échanges suivants à un mobile défini par son identifiant, c’est-à-dire la valeur TMSI ou la valeur aléatoire transmis dans le message 3. Le T-RNTI échangé dans le message 3 devient le C-RNTI à moins que l’UE disposait déjà d’un C-RNTI.

Le dernier message RRC Connection Setup Complete permet au mobile de valider le passage en mode connecté. Le message contient l’identité du PLMN sélectionné et un message NAS à destination du cœur de réseau.

La figure 7 présente le diagramme de machine d’état au niveau du mobile UE (figure 7a) et de la station de base (figure 7b).

Figure 5 : Le diagramme de machine d’état mobile UE (a) et station de base (b)

Les messages transmis portent les informations suivantes :

Figure 8 : L’échange de messages pour la procédure RAR

Figure 9 : Message 2 de la procédure d’accès aléatoire

La suite est récupérée sur Sharetechnote :

MAC Subheaders
- E: The Extension field is a flag indicating if the MAC subPDU including this MAC subheader is the last MACsubPDU or not in the MAC PDU.
  - E field is set to “1” to indicate at least another MAC subPDU follows
  - E field is set to “0” to indicate that the MAC subPDU including this MAC subheader is the last MAC subPDU in the MAC PDU
- T: The Type field is a flag indicating whether the MAC subheader contains a Random Access Preamble ID or a Backoff Indicator.
  - The T field is set to “0” to indicate the presence of a Backoff Indicator field in the subheader (BI)
  - The T field is set to “1” to indicate the presence of a Random Access Preamble ID field in the subheader (RAPID)
- R: Reserved bit, set to “0”
- BI: The Backoff Indicator field identifies the overload condition in the cell and its size is 4 bits to represent 16 possible index. Index value and corresponding Backoff time value is shown in below table

- RAPID: The Random Access Preamble IDentifier field identifies the transmitted Random Access Preamble. The size of the RAPID field is 6 bits. If the RAPID in the MAC subheader of a MAC subPDU
  corresponds to one of the Random Access Preambles configured for SI request, MAC RAR is not included in the MAC subPDU.
MAC RAR Payload
- R: Reserved bit, set to “0”;
- Timing Advance Command: The Timing Advance Command field indicates the index value TA used to control the amount of timing adjustment that the MAC entity has to apply in TS 38.213 [6]. The size of the Timing Advance Command field is 12 bits
- UL Grant: The Uplink Grant field indicates the resources to be used on the uplink i.e. Msg3. The size of the UL Grant field is 27 bits and content of UL grant is shown in below.

- - Frequency Hopping Flag
    - If the value of the frequency hopping flag is 0, the UE transmits the PUSCH without frequency hopping; otherwise, the UE transmits the PUSCH with frequency hopping.
  - MCS: The UE determines the MCS of the PUSCH transmission from the first sixteen indexes of the applicable MCS index table for PUSCH as described in 3GPP specification 38.214
  - TPC:The TPC command value is used for setting the power of the PUSCH transmission, and is interpreted according to below table.
  - - - CSI request: This field a is reserved.
    - Temporary C-RNTI: The Temporary C-RNTI field indicates the temporary identity that is used by the MAC entity during Random Access. The size of the Temporary C-RNTI field is 16 bits.

Ressources Bibliographiques

[1] TS 136 211 – V14.2.0 – LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Table 5.7.1-2: Frame structure type 1 random access configuration for preamble formats 0-3

[2] TS 136 211 – V14.2.0 – LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Table 5.7.2-4: Root Zadoff-Chu sequence order for preamble formats 0 – 3

[3] TS 136 211 – V14.2.0 – LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Table 5.7.2-2 N_CS for preamble generation (preamble formats 0-3)

[4] Andreas Höglund, Dung Pham Van, Tuomas Tirronen, Olof Liberg, Yutao Sui, and Emre A. Yavuz, “3GPP Release 15 Early Data Transmission”, 2018, IEEE Communications Standards Magazine ( Volume: 2, Issue: 2, JUNE 2018), p90-96, https://doi.org/10.1109/MCOMSTD.2018.1800002

[5] Andreas Höglund, G. A. Medina-Acosta, Sandeep Narayanan Kadan Veedu, Olof Liberg, Tuomas Tirronen, Emre A. Yavuz, and Johan Bergman , 3GPP Release-16 Preconfigured Uplink Resources for LTE-M and NB-IoT

[6] 3GPP TS 36.213, R.16.8.0 : Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer procedures

[7] 3GPP TS 38.321, R.17.0.0 (mars 2022), MAC protocol Specification.

SDT – Small Data Transmission

Posté le 5 mai 2022 by flaunay - 707 vues

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Introduction

L’Internet des Objets a poussé la 3GPP a imaginé des protocoles dédiés pour des transmissions à faible volumétrie de données SDT (Small Data Transmission).

Le réseau 4G propose deux solutions SDT nommées EDT (Early Data Transmission) et la PUR (Preconfigured Uplink Resource).

Le réseau 5G propose deux autres solutions SDT nommées RA-SDT et CG-SDT. La technologie RA-SDT est proche de la solution EDT et la technologie CG-SDT est proche de la solution PUR.

Cet article est la continuité de la présentation de l’IoT Cellulaire (https://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2017/05/28/mtc-le-reseau-m2m-iot-sur-la-4g-1ere-partie/) et je vais reprendre l’article sur le canal PRACH : https://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2020/05/02/etablissement-de-la-connexion-radioelectrique-comparaison-4g-et-5g/

Etude du signal d’accès aléatoire

Le signal d’accès aléatoire sur l’interface radioélectrique LTE est généré par le mobile selon la formule suivante :

La séquence Xu,v est une séquence de Zadoff-Chu (ZC). La séquence de PRACH s’appuie sur une séquence de ZC dans le domaine fréquentiel et la formule précédente permet d’appliquer la transformation du signal vers le domaine temporel.

La liste des préambules est transmises à l’UE via le message d’information système SIB2. La station de base propose une liste voire deux listes par cellule, chaque liste contient 64 préambules.

Un préambule racine est une séquence pseudo-aléatoire de Zadoff-Chu (ZC) qui est définie par la valeur de la racine. Les préambules de la liste sont obtenus à partir d’un décalage cyclique C_v du préambule racine.

Un nombre fixe de 64 préambules est alloué pour chaque cellule et en fonction de la longueur de décalage cyclique N_CS, une ou plusieurs séquences racine d’accès aléatoire sont nécessaires par cellule pour générer les 64 préambules.

PREAMBULE PRACH (Accès Aléatoire)

Le préambule PRACH est constitué d’un préfixe cyclique de longueur T_CP et d’une séquence de longeur T_SEQ.

Figure 1 : Le préambule PRACH

Les longueurs T_CP et T_SEQ dépendent de la structure de la trame (type 1 : FDD ou type 2 : TDD) et de la configuration définie au niveau de la couche RRC de l’accès aléatoire selon l’un des quatre formats ci-dessous :

Table 1 : La configuration de la séquence PRACH

Il convient de noter que durée de la séquence d’apprentissage définit la couverture de la cellule pour estimer correctement l’avance de synchronisation. Si eNodeB reçoit des préambules au-delà de la plage de cellules définie, l’estimation de l’avance temporelle sera erronée et l’accès aléatoire, la procédure échouera, ce qui entraînera de nouvelles tentatives de la part de l’UE.

Table 2 : La couverture de la cellule

Les préambules par cellule sont divisés en deux sous-ensembles

La transmission du préambule PRACH est déclenché soit par la couche MAC (demande d’accès avec contention), soit par la couche RRC de la station de base (demande d’accès sans contention). L’étude porte sur la demande d’accès avec contention.

Lorsque le préambule est déclenché par la couche MAC de l’UE, la transmission de la requête d’accès doit être transmises sur des ressources tempo/fréquentielle définies par l’eNB, c’est à dire sur des fenêtres temporelles spécifiques correspondant à un numéro de sous-trame dans une trame (trame paire, impaire ou toutes trames) et sur des emplacements fréquentiels correspondant à des blocs de ressource. Les ressources tempo-fréquentielles autorisées sont transmises de l’eNB à tous les terminaux par le message de diffusion d’information SIB2 :

L’instant de transmission est défini via l’index PRACH-Configuration. Le numéro d’index de configuration PRACH, sur 6 bits (valeurs 0 à 63), permet de savoir dans quelle(s) sous-trames le PRACH peut être transmis sur chaque sous trame ou uniquement sur les sous trames paires
Le décalage prach-FrequencyOffset détermine la position du bloc de ressource (PRB) contenant la séquence dans le domaine fréquentiel

Table 3 : Table de configuration de l’index de configuration PRACH [1]

PREAMBULE NPRACH (Accès Aléatoire)

A l’instar du LTE, les informations sur la procédure d’accès aléatoires sont transmises via le SIB2. On trouve la périodicité des demandes d’accès aléatoires, l’instant de transmission, la première sous-porteuse et le nombre de sous-porteuses allouées à la demande NPRACH, le nombre de répétition de la transmission du préambule.

La figure suivante est extraite du site : https://www.sharetechnote.com/html/Handbook_LTE_NB_rach.html

Figure 2 : Les sous porteuses NPRACH (informations SIB2)

Le signal NPRACH est donc transmis dans les ressources tempo-fréquentielles spécifiées dans le message SIB2.

Figure 3 : La transmission du NPRACH (exemple)

Dans le cas du NB-IoT, il n’y a que deux formats de préambules. Les préambules sont toujours composées d’un préfixe cyclique CP et d’une séquence.

Figure 4 : Comparaison des préambules entre le l’interface LTE et l’interface NB-IoT [1]

La séquence du préambule PRACH/NPRACH

La séquence du préambule PRACH/NPRACH est issue du générateur de Zadoff-Chu :

Avec u, la racine de Zadoff-Chu, la longueur de la séquence (en général 839)

La station de base transmet au mobile un index de racine. La correspondance entre l’index et la racine de Zadoff-Chu est indiquée dans la table 4.

Les séquences cycliques sont calculées à partir de

Table 4 : La correspondance entre l’indice de la séquence RACH et la racine de Zadoff-Chu [2]

La valeur de C_v est calculée par l’équation suivante :

La valeur de N_CS est définie par la table 4 à partir de la valeur ZeroCorrelationZoneConfig transmise dans le message SIB2

Figure 5 : Le message SIB2

Table 5 : Les valeurs de N_CS[3]

Il y a une ou au plus deux listes de 64 séquences par cellule. Les 64 séquences d’une liste sont extraites à partir de tous les décalages cycliques possible de la séquence racine (root). La valeur racine est transmise par la station de base via le SIB2 dans le message RACH_ROOT_SEQUENCE (pour la 1^ère liste de 64 séquence) et dans le message ROOT_SEQUENCE_INDEX_HI si une deuxième liste est gérée.

Ressources Bibliographiques

[1] TS 136 211 – V14.2.0 – LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Table 5.7.1-2: Frame structure type 1 random access configuration for preamble formats 0-3

[2] TS 136 211 – V14.2.0 – LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Table 5.7.2-4: Root Zadoff-Chu sequence order for preamble formats 0 – 3

[3] TS 136 211 – V14.2.0 – LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Table 5.7.2-2 N_CS for preamble generation (preamble formats 0-3)

[6] 3GPP TS 36.213, R.16.8.0 : Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer procedures

[7] 3GPP TS 38.321, R.17.0.0 (mars 2022), MAC protocol Specification.

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

Posté le 2 mai 2020 by flaunay - 2 270 vues

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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).

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 5^ème 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.

Etablissement de la connexion radio – Partie 3 : La procédure

Posté le 14 octobre 2019 by flaunay - 2 419 vues

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Nous allons maintenant étudier la procédure d’accès aléatoire.

Lorsque le terminal UE est en veille, il récupère les paramètres d’accès radio transmis par la station de base à travers les différents SIB. Les informations SIB sont diffusées dans la cellule sur des canaux communs. Notamment, le terminal UE prend connaissance du SIB2 mais aucune ressource radio spécifique lui est dédiée.

Pour obtenir des ressources dédiées le terminal utilise dans un premier temps des ressources communes à l’ensemble des terminaux pour contacter l’entité radio (nous traitons le cas en 5G avec l’entité gNb mais la procédure est identique pour les autres accès radio mobiles) et l’informer de sa demande. Les ressources PRACH étant accessibles à l’ensemble des terminaux, la procédure d’accès aléatoire doit être en mesure de détecter un conflit en cas de collision.

Pour limiter les collisions, la station de base propose un ensemble de préambules (64 maximum). Le terminal tire au hasard un préambule parmi la liste proposée (on parle d’accès aléatoire). Le préambule est une séquence de Zadoff-Chu définit par son index RAPID (Random Access Preamble ID, l’index fait une correspondance avec la racine de la séquence, se référer au premier article décrivant l’accès aléatoire).

Cependant, rien n’exclut l’hypothèse que deux terminaux UE choisissent séparément le même préambule au même moment et transmettent chacun leur demande sur des ressources fréquentielles identiques. On parle alors de collision.

La procédure est décrite par les échanges suivants :

msg1 : Le terminal UE envoie sa demande d’accès aléatoire en transmettant un préambule. Une fois le préambule émis, le terminal UE écoute la réponse de la station de base entre l’instant t₁ et t₂= t₁+ Fenêtre_reception (T300)

msg2 : La station de base répond au terminal mobile UE en indiquant l’avance de temps (TA) que le terminal UE doit appliquer, et lui alloue des ressources radios pour le prochain message montant. La réponse est diffusée sur le canal commun à l’ensemble des terminaux via le canal PDCCH. Le CRC du message DCI est embrouillé par l’identifiant RA-RNTI. Lorsque le terminal UE décode le PDCCH avec son identifiant RA-RNTI, il lit le contenu diffusé dans le canal PDSCH.

msg3 : Le terminal UE envoie une unité de donnée MAC ou un message RRC avec une identité UE. Cet identifiant va permettre de résoudre les conflits.

msg 4 : La station de base gNB diffuse sa réponse en indiquant l’identité reçu du terminal dans sa reponse. Ainsi, en cas de conflit, le terminal pour lequel la réponse du gNb correspond à son identifiant a réussi son accès aléatoire, pour les autres la réponse msg4 est attendu jusqu’à l’expiration du temporisateur. Une nouvelle demande d’accès sera alors renouvelée dans la limite des demandes autorisées dans le message SIB2.

Figure 1 : Procédure d’accès aléatoire

Le terminal UE émet ses messages et attend les réponses dans des fenêtres temporelles définies par l’accès radio.

Figure 2 : Les temporisateurs de la demande d’accès

L’objectif est maintenant de comprendre :

comment la station de base est en mesure de détecter plusieurs requêtes d’accès aléatoire ;
comment s’effectue la résolution de conflit.

Nous partons sur l’hypothèse de 3 terminaux UE A, UE B et UE C qui envoient leur demande d’accès aléatoire au même moment et sur les mêmes ressources tempo-fréquentielles. Dans ce cas l’identifiant RA-RNTI pour chaque terminal est identique. On suppose de plus que les terminaux UE A et UE B choisissent le même préambule. Dans ce cas , il y a collision.

Figure 3 : Demande d’accès UE vers gNB

Les préambules 1 et 3 sont différents, cela signifie que les séquences de Zadoff-Chu transmises par les terminaux A et C (ou B et C) ne sont pas identiques. Comme les séquences sont orthogonales, l’entité gNB est capable de les détecter. Par contre, les séquences émises par les terminaux UE A et UE B sont identiques, la station de base ne détecte donc qu’un seul message (pensant qu’il s’agit de multi-trajets).

La station de base répond aux 3 terminaux simultanément. Les terminaux sont informés d’une réponse en décodant l’information DCI dans le canal PDCCH. Les terminaux vont ensuite lire le message RAR (Random Access Response) présent dans le canal PDSCH. Le contenu du message contient les préambules décodés par la station de base gNB :

Figure 4 : La réponse du gNB vers les terminaux (message RAR)

Les terminaux A et B enregistrent l’identifiant radio temporaire TC-RNTI1 avec le Timing Advanced mesurée par la station de base. Ce TA correspond évidemment à l’un des deux terminaux. Le terminal C enregistre sont identifiant temporaire C-RNTI3.

Pour lever la collision entre les terminaux A et B, chaque terminal envoie son message 3 (RRC SetupRequest) avec l’identifiant temporaire TC-RNTI1 et leur identifiant aléatoire comme identité de l’UE (UE-identity).

Figure 5 : Les terminaux acquittent le message reçu auprès de l’entité gNB

Dans l’exemple ci-dessus, la station de base gNB reçoit la réponse des terminaux A et B avec, pour chaque UE, une identité aléatoire UE-identity. Cette réponse permet à la station de base d’identifier le terminal A et le terminal B et de faire la correspondance avec l’identifiant radio temporaire TC-RNTI1. La station de base détecte ainsi la collision. Dans la procédure, la station de base répond au terminal qui envoie le msg 3 en premier et ignore les autres messages msg3 qui portent le même identifiant temporaire TC-RNTI1. Elle reçoit également le message du terminal C avec l’identifiant temporaire TC-RNTI3. Elle fait donc une correspondance entre l’identifiant radio temporaire TC-RNTI3 et le terminal C UE-identity. Il n’y a pas de conflit.

Dans le chronogramme, on suppose que le terminal A est plus proche de la station de base gNb que le terminal B. Ainsi, la station de base reçoit d’abord le message 3 du terminal A et diffuse vers tous les terminaux un message de contrôle PDCCH DCI. Le contenu du message msg4 est transmis dans le canal PDSCH RRC_Setup avec la correspondance entre l’identifiant temporaire TC-RNTI1 et l’identité aléatoire UE-identity_A. La station de base diffuse le message qui est donc reçue par le terminal A et le terminal B. Le terminal A retrouve ainsi son identité temporaire UE-identity A dans le message de la station de base, les terminaux B et C reçoivent une réponse avec l’identité temporaire d’un autre terminal UE-identity A. Le terminal B attend la réponse du gNb (qui n’arrivera pas) jusqu’à la fin du temporisateur T300, le terminal C attend la réponse du gNB qui est transmise avant la fin du temporisateur T300.

Le message RRC_Setup permet également au terminal concerné de récupérer les informations de séquencement (attribution des ressources radio) pour la voie montante.

Les terminaux A et C vont donc pouvoir transmettre à la station de base la raison de leur demande d’accès (message NAS à destination de l’entité AMF), en encapsulant le message NAS dans la requête RRC Setup Request Complete.

Le terminal B va refaire une procédure d’accès aléatoire.

Figure 6 : Signalisation montante pour les terminaux A et C, procédure aléatoire pour l’UE B

Etablissement de la connexion radio – Partie 2 : Les ressources et l’identifiant aléatoire

Posté le 14 octobre 2019 by flaunay - 2 137 vues

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Avant d’émettre sa demande d’accès aléatoire, le terminal doit récupérer un ensemble d’informations transmises par la station de base via le message SIB2 :

la configuration du PRACH (prach-ConfigIndex) ;
le jeu des préambules d’accès aléatoires disponibles (la racine q et les décalages de la séquence, se référer à la partie 1) ;
la fenêtre temporelle pour la réponse (ra-ResponseWindowsSize) ;
la puissance d’émission du préambule initial (preambleInitialRecievedTargetPower) ;
le facteur de rampe de puissance (powerRampingStep) ;
en cas de non réponse, le nombre maximum de préambules pouvant être émis (preambleTransMax) ;
le temporisateur de résolution de contention (mac-ContentionResolutionTimer)

Figure 1 : Extrait des informations du SIB2

A partir de :

l’information msg1-FrequencyStart, le terminal UE calcule la position fréquentielle de la localisation du canal PRACH ;
l’information msg1-FDM, le terminal connait le nombre d’occasion PRACH dans le domaine fréquentiel

A titre d’exemple :

Dans la bande FR2 :

Figure 2 : La configuration de l’accès aléatoire selon la table 38.211 v15.5-Table 6.3.3.2-4

Les numéros de slot de référence sont le 19 et le 29, nous allons maintenant calculer la position du slot du RACH à partir de la référence du slot 19 :

N°slot_RACH=Starting_symbol + Numero_occassion_PRACH*Durée_PRACH+Nbre_symboles_par_slot*numero_du_slot

Avec :

Starting_symbol est une valeur indiquée dans le tableau, la valeur est à 7
Numero_occassion_PRACH correspond aux occasions du RA. L’indice démarre à 0 jusqu’à Number_of_time_domain_occasion – 1. La valeur vaut 0
Nbre_symboles_par_slot est de 14
Numero_du_slot se calcule par la formule suivante :
- Si SCS = {1,25 kHz, 5 kHz, 15 kHz, 60 kHz} alors Numero_du_slot=1
- Si SCS = {30 kHz, 60 kHz} et
  - si le nombre de slot RACH par sous-trame =1 alors Numero_du_slot=1
  - sinon Numero_du_slot={0,1}

Dans notre exemple, le symbole sur lequel démarre le canal PRACH est à la position : 7+0*6+14*1=21 par rapport au slot 19. Il se situe donc à la position du symbole 7 du slot 20

Figure 3 : Exemple de transmission du PRACH (FR2, format A3)

Une fois le préambule sélectionné, le terminal UE détermine la prochaine occasion pour envoyer sa demande. La puissance d’émission est estimée à partir des paramètres reçus par le SIB2 et en augmentant la puissance à chaque retransmission.

La demande d’accès est contrôlée par la station de base en indiquant par le message SIB2 les occasions du canal PRACH dans le domaine temporel et fréquentiel.

Ressources Temporelles (prach-ConfigurationIndex)

La référence temporelle est la durée d’une trame, soit 10 ms. La transmission du canal PRACH au cours de la trame est définie par les paramètres suivants :

PRACH configuration period : Le numéro de trame SFN utilisé pour transmettre le canal PRACH est défini par la condition suivante : x mod SFN = y.
- A titre d’exemple x=16, alors les occasions du canal PRACH sont espacées de 160 ms
- Si x=16, y=1, alors les numéros de trames portant le canal PRACH sont définis par le numéro de trame SFN 1,17,33,49,…
SubFrame Number : Indique le ou les sous-trames dans la trames qui transportent le canal PRACH
Slots with PRACH : La référence est un espacement entre sous-porteuses (SCS) de 60 kHz, pour laquelle on a 4 slots par sous trames soit 40 slots par trame. Le nombre d’occasion est donc de 40 lorsque l’espacement entre sous-porteuses est de 60 kHz ou 40*2 slots pour un espacement entre porteuses de 120 kHz.

Ressources Fréquentielles

msg1-FrequencyStart : Indique la première ressource PRACH
msg1-FDM : Indique le nombre de ressources fréquentielles pour le PRACH (1,2, 4 ou 8)

A partir de ces valeurs, le numéro de la sous-trame et l’index de fréquence utilisé par le terminal pour transmettre sa demande d’accès aléatoire permet de calculer l’identifiant radio RA-RNTI :

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

s_id : Index du premier symbole OFDM (entre 0 et 13)
t_id : Index du premier slot dans la trame (entre 0 et 79)
f_id : Index dans le domaine fréquentiel (entre 0 et 7)
ul_carrier_id est égal à 1 si la demande est faite dans la bande SUL, 0 sinon

Cette valeur sera utilisée par l’entité gNB pour répondre au terminal : le terminal écoute le canal PDCCH émis par l’entité gNb et recherche la réponse pour laquelle le code détecteur d’erreur CRC est mélangée par l’identifiant RA_RNTI (ou exclusif).

En fin de transmission, le terminal UE écoute (sur une durée définie) la réponse de l’entité gNB laquelle contient le numéro de référence RA-RNTI.

Références

3GPP 38.211

https://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_RACH.html

Etablissement de la connexion radio – Partie 1 : Les séquences aléatoires

Posté le 13 octobre 2019 by flaunay - 3 199 vues

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La connexion radio s’effectue par un échange de signalisation entre le terminal UE et la station de base gNB.

La première étape, nommée Accès Initial (Initial Access) permet au terminal de se manifester auprès de la station de base en transmettant un préambule (procédure d’accès aléatoire ou RACH). En retour, le terminal se synchronise en Uplink avec la station de base et récupère un identifiant radio.

La séquence aléatoire RA

La procédure d’accès aléatoire est destinée à résoudre les possibles collisions si deux ou plusieurs terminaux souhaitent établir simultanément une connexion radio. Les étapes de la connexion radio sont :

1 – Le terminal UE émet un préambule dans le canal d’accès aléatoire PRACH

A l’instar de la 4G, le préambule est une séquence de Zadoff-Chu. La séquence est définie de la manière suivante :

N est la longueur de la séquence, N est un nombre premier. La séquence est nommée séquence d’accès aléatoire ou RA (Random Access), z indice n exposant u représente la n-ième bit de la séquence de Zadoff-chu de racine u.

La u-ième racine est obtenue à partir de l’index de la séquence i transmis par la variable rootsequenceIndex.

Table 1 : Le numéro de séquence en fonction de i

Le numéro de séquence logique est porté par le SIB 2 rootsequenceIndex. A titre d’exemple, si l’on se réfère au tableau, ‘rootsequenceIndex = 22’ correspond à u=1 :

Table 2 : Correspondance entre i et u

Le signal émis est la transformée de Fourier sur N sous-porteuses dont l’amplitude de la n-ième sous porteuse est définie par la séquence de Zadoff-Chu (se référer à l’équation ci-dessus).

Pour la 5G, N prend pour valeur 139 ou 839. Si l’espacement entre sous-porteuses est de 1,25 kHz, le signal est émis respectivement sur une largeur de bande de 173,5 kHz ou 1048,8 kHz.

Figure 1 : Synoptique de transmission

La séquence de Zadoff-Chu possède des propriétés suivantes :

signal d’amplitude constante ;
bonne propriété d’autocorrélation permettant à la station de base de détecter une séquence par un pic sur la séquence d’’autocorrélation ;

la puissance d’intercorrélation entre deux séquence de Zadoff (q₁ et q₂ différents) est égale à 1/N.

La figure 1 représente l’autocorrélation de la séquence de Zadoff-Chu de 139 bits (25^ème racine)

A partir de la connaissance de q et de N, les préambules émis est une séquence aléatoire avec un décalage cyclique C possible est :

Figure 2 : Autocorrélation d’une séquence de Zadoff-Chu de longueur 139

Le canal physique PRACH transporte la séquence aléatoire RA précédée d’un préfixe cyclique et suivi d’un temps de garde.

Figure 3 : Le canal PRACH

On nomme T_SEQ la durée de la séquence avec le préfixe cyclique, et T_TG la durée du temps de garde. Soit τ_d l’étalement temporel du canal (le délai de propagation du canal dû aux multitrajets, s’exprime ne µS) et R le rayon de la cellule couverte par la station de base, alors :

A partir de n_cs, on peut déterminer le nombre de séquences aléatoires possible à partir d’une séquence de Zadoff-Chu et vaut M/n_cs.

A titre d’exemple, si M=839 et n_cs=11 alors une séquence génère 76 RA différents.

En général, une cellule dispose de 64 codes RA, toutefois, 14 codes sont réservés pour la demande d’établissement radio lors d’un handover, c’est-à-dire sans contention, contention free et 50 pour la demande d’accès aléatoire avec contention.

La taille de la cellule permettant un accès initial se calcule à partir de la durée du temps de garde. La durée d’un slot est de 1 ms. La durée du préfixe cyclique permet de compenser l’étalement temporel du canal. Par exemple, je fixe T_CP=103.13 µs. Supposons une séquence aléatoire T_SEQ=800µs. La durée de la séquence dépend à la fois de la taille du message aléatoire (139 ou 839 bits) et de l’espacement entre porteuse. La durée du temps de garde TGP=1000-103.13-800=96.87 µs.

Figure 4 : Le format 0 du canal PRACH

Le temps de garde correspond au temps autorisé pour faire une transmission aller-retour : le mobile est synchronisé sur le lien descendant par la séquence de synchronisation de la station de base. Il reçoit le signal avec un retard qui dépend de la distance. La distance parcourue entre la station de base et le terminal est : d = c. t avec t le temps que met l’onde pour se propager de la station de base vers le terminal.

Si la séquence est de 800 µs, la célérité de la lumière est de 3.10⁸ m/s soit 0.3 km/µs alors : d=0.3*96.87/2=14.5 km

Le format PRACH

La 5G supporte 13 formats différents, définit en fonction

de la longueur de la séquence RA ;
de l’espacement entre sous-porteuse : SCS=1.25 kHz ou SCS=15 kHz ;
de la longueur de la durée du préfixe cyclique ;
de la longueur de la séquence ;
du nombre de répétition.

a) Les formats long : Formats 0, 1, 2 et 3

les formats longs ne sont utilisés que dans la bande FR1. Les formats 0 et 1 sont similaires aux formats 4G (préambule long format 0 et format 2). Les caractéristiques sont :

la longueur de la séance est de 839 bits ;
l’espacement de la sous-porteuse est de 1.25 kHz pour les formats 0,1,2 et 15 kHz pour le format 3. Dans ce cas, 6 RB sont utilisés dans le premier cas et 24 RB dans le second cas ;
Le facteur 1, 2 et 4 pour Nu correspond au nombre de répétitions.

Table 3 : Les formats PRACH 0 à 3 pour la 5G*

K est le facteur d’échantillonnage k=Ts/Tc avec la fréquence d’échantillonnage Fs=30.72 MHz et Tc=1/(SCS_max.N_fft). Pour l’interface radio 5G-NR l’espacement SCS maximal est de 480 kHz et le nombre d’entrée FFT est de 4096.

Fc=1.966080 GHz (1966080 kHz)

Format 0 :

CP length(Tcp) = 3168*k échantillons = 3168*64 *Tc sec = 3168*Ts ms = 3168/30720 = .1031 ms
sequence length (Tseq) = 24576*k échantillons = 24576*64*Tc= 24576/30720 =.800 ms

Format 1 :

CP length(Tcp) = 21024/30720 = .6844 ms
sequence length (Tseq) = 2*24576*k échantillons =1.6 ms

Format 2 :

CP length(Tcp) = 21024/30720 = .6844 ms
sequence length (Tseq) = 2*24576*k échantillons =1.6 ms

Format 3 :

CP length(Tcp) = = 3168/30720 = .1031

sequence length (Tseq) = 4*6144*k échantillons =0.8 ms

a) Les formats courts : Formats A1, A2, A3, A4, B1, B2, B3, B4, C0, C2

Les formats cours sont constitués de 139 bits, et l’espacement entre porteuses dépend de la numérologie (15 kHz ou 30 kHz pour la bande FR1 et 60 kHz ou 120 kHz dans la bande FR2).

Table 4 : Les formats PRACH court pour la 5G

Exemple du format A1 :

CP length(Tcp) = 288*k *(2^-μ) samples = 288*64 *1 samples =288/30720 = .009381 ms

sequence length (Tseq) = 2*2048*k*(2^-μ) samples = 2*2048*64 samples =(2*2048*/30720) ms = .1334 ms

Figure 5 : Le format A1 du canal PRACH

Figure 6 : Les formats du canal PRACH

Référence :

TS 38.211
Site web : http://spectracells.com/2018/09/28/5g-nr-rach/
http://www.techplayon.com/5g-nr-rach-preamble-types-long-and-short-preambles/

Frédéric Launay

Les réseaux de mobiles 4G et 5G

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