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L’accès aléatoire dans le contexte NTN

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Procédure d’accès aléatoire dans un scénario non terrestre – NTN

Lorsque le mobile est à l’état de veille, il sélectionne la station de base et écoute les informations émises par celle-ci. Pour pouvoir émettre des données vers la station de base, l’UE doit être connecté à celle-ci.  La procédure d’accès aléatoire est déclenchée par l’UE pour demander cette connexion radio à la station de base que l’UE a sélectionnée. Si la station de base accepte la connexion radio, l’UE pourra échanger du trafic ou de la signalisation avec le cœur de réseau.

Suite à la procédure d’accès aléatoire, le mobile passe de l’état RRC_IDLE (4G/5G)-  ou éventuellement de l’état RRC_INACTIVE (5G) – à l’état RRC_CONNECTED. Au cours de cette procédure, la station de base estime la distance la séparant de l’UE et transmet à l’UE la valeur de Timing Advance (TA) estimée. Le TA est nécessaire pour synchroniser en temps le lien montant (Uplink Time Synchronization) reçue par la station de base avec le début de trame émise par la station de base.

Figure 1 : Synchronisation en temps du lien UL/DL au niveau du gNB [1]

Si le mobile est déjà à l’état RRC_CONNECTED, la procédure RACH est déclenchée lors de la demande de HandOver ce qui permet d’informer la station de base cible de la demande d’accès radio de l’UE.

Dans le cas d’un lien radio coupé (RLF : Radio Link Failure) ou d’un échec de HO, l’UE déclenche la procédure d’accès aléatoire dans le but de créer une nouvelle connexion radio avec la cellule (Cell Recovery).

Pour résumer les différents cas possibles, la figure 2 liste les situations pour lesquelles l’UE déclenche la procédure d’accès aléatoire.

Figure 2 : Situation ou la procédure de RA est déclenchée [2]

Concernant la procédure d’accès aléatoire, il existe deux méthodes d’accès:

  • CBRA : Contention Free Random Access. La procédure s’effectue soit en 4 messages, soit en 2 messages (exemple SDT : cf …). Dans le 1er message, l’UE choisi aléatoirement un préambule dans une liste d’au plus 64 préambules avec une probabilité non nulle qu’un autre UE choisi le même préambule, créant ainsi une collision au niveau de la station de base qui doit gérer la contention.
  • CFRA : Contention Free Random Access mise en oeuvre dans le cas du Handover. La demande s’effectue en 2 messages et le préambule utilisé par l’UE dans le 1er message appartient à une liste diffusée par la station de base cible dont les valeurs sont uniquement dédiées à l’UE. Ainsi, il n’y a pas de collision.

La demande d’accès aléatoire est émise par le mobile sur la fréquence commune et sur des sous-trames correspondant aux occasions de RA (RAO). La périodicité des occasions de RA est définie par les informations de broadcast SIB1 en 5G ou SIB2 en 4G. Ainsi, lorsque l’UE envoie sa demande dans la sous-trame correspondante, la station de base écoute les messages RA à cet instant et non en permanence. Cela suppose que la transmission UL du mobile soit synchronisée avec la transmission DL de la gNB et que le délai de propagation soit compensé par le TA.

Le mobile UE étant distant d’une distance d, il détecte le signal de synchronisation SSB avec un retard de d/c. Pour une cellule terrestre de 10 kms, le délai aller/retour (RTT : Round Trip Time) pour un UE à 10 kms de distance est de 67 µs (2*10 /300 000).

Dans le scénario NTN (figure 3), la distance entre l’UE et le satellite est de plusieurs 100aines ou milliers de kms, le délai (élevé) entre l’UE et la station de base provoque un décalage temporel entre le lien DL et UL (figure 2) et lorsque la station de base reçoit le préambule celui-ci est hors délai par rapport à la fenêtre d’écoute.

Figure 3 : Transmission Non Terrestre

On appelle interface Service Link ou SLI, l’interface du lien entre le satellite et l’utilisateur (UE/MES : Mobile Earth Station). L’interface SLI gère l’établissement des gestions de communication.

L’interface Feeder Link est l’interface entre le satellite et la passerelle terrestre (LES : Land Earth Station).

Dans la cas d’une communication satellitaire (figure 4 a), l’UE communique avec le satellite (délai UE – Satellite sur le lien de service) et le satellite transmet le signal vers la passerelle (délai Satellite – Passerelle). Dans le mode transparent, la passerelle est connectée à une station de base gNB.

Dans le mode regénérative payload (figure 4 b), le satellite héberge la station de base ou l’entité DU de la station de base. Ainsi, la passerelle est soit connectée au cœur de réseau (dans ce cas, le gNB est soit intégré dans le satellite), soit au gNB-CU.

Figure 4 : les modes de scénarios

Quel que soit le scénario choisi (transparente ou regénérative payload), la transmission a une latence élevée et supérieure à la durée d’un slot (cf. figure 5)

 

Figure 5 : Scénario de HO : a) Terrestre, b) Non Terrestre

Pour compenser le décalage, il est nécessaire de prendre en compte un TA étendu. Généralement, le TA est calculé par la station de base à partir de la demande d’accès aléatoire. Or la connaissance du  TA étendu est nécessaire pour la demande d’accès aléatoire. Le TA étendu est composé de deux valeurs :

  • Calcul du TA en boucle ouverte afin d’avoir une information du délai entre le satellite et fu point de référence (figure 6).
  • Calcul du TA en boucle fermés pour compenser l’erreur de TA qui est calculée en boucle ouverte

Figure 6 : Calcul du TA en boucle ouverte

Le calcul en boucle ouverte est réalisé au niveau de l’UE. Cela prend en compte le délai de l’interface du lien de service (UE/Satellite) et le délai sur l’interface du feeder (satellite vers la passerelle).

Concernant le lien du feeder, la station de base transmet le délai entre le satellite et un point de référence (RP : Reference Point). L’UE ne connait pas la localisation du RP. Le réseau transmet au mobile la valeur Tta_commun dans le message de diffusion SIB19 et qui correspond au temps du lien Feeder (entre le satellite et la passerelle).

Figure 7 : Exemple de RP

A partir de l’éphéméride du satellite (position et vitesse) émis dans le SIB19 et de la connaissance de la position de l’UE (issu de la mesure du GNSS), l’UE calcule la distance qui le sépare du satellite et donc estime le délai sur le lien de service (User Specific TA).

Le standard 5G a introduit un nouveau concept, demand SI Delivery, permettant à l’UE de déclencher la procédure d’accès aléatoire afin de demander à celle-ci la diffusion d’un message SIB

La nouveauté est la suivante (figures 8 et 9) :

  • En 4G, quand un UE souhaite acquérir une information diffusée par un SIB, il écoute le canal de diffusion à l’instant où le SIB est transmis (après avoir extrait les informations portées par le MIB et le SIB1)
  • En 5G, l’UE envoie une requête à la station de base en lui demandant d’émettre le SIB souhaité puis écoute la prochaine échéance (SI Window) du canal de diffusion.

Figure 8 : Demande de diffusion d’un SI

 

Figure 9 : Procédure On-Demand SI

Une fois l’offset de TA mesurée (d’une durée de plusieurs slots), le mobile pourra quasiment se synchroniser. Toutefois, une erreur en boucle fermée existe encore.

La procédure d’accès aléatoire permet de mesurer cette erreur.

La figure 10 présente ainsi le calcul du TA.

Figure 10 : La procédure de calcul du TA en boule ouverte

 

Références

[1] https://www.techplayon.com/5g-nr-timing-advance-rar-ta-and-mac-ce-ta/

[2] Oltjon Kodheli, Random Access Procedure Over Non-Terrestrial Networks: From Theory to Practice

 

 

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

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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 (25ème 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 TSEQ la durée de la séquence avec le préfixe cyclique, et TTG la durée du temps de garde. Soit τd 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 ncs, on peut déterminer le nombre de séquences aléatoires possible à partir d’une séquence de Zadoff-Chu et vaut M/ncs.

A titre d’exemple, si M=839 et ncs=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 TCP=103.13 µs. Supposons une séquence aléatoire TSEQ=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.
  1. 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.Nfft). 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 :