Canal PUCCH et les données UCI
Le mobile UE (User Equipment) émet vers la station de base des informations de contrôle (du lien montant) UCI (Uplink Control Information) parmi la liste suivante :
- ACK/NAK confirmant ou non la bonne réception du message descendant précédent
- Le rapport de mesure CSI (Channel State Information) permettant à la station de base d’adapter le mode de transmission et le schéma de modulation et de codage MCS (Modulation Coding Scheme) à partir de l’indicateur CQI (Channel Quality Indicatot), le rang de la matrice de transmission RI (Rank Indicator) et le rang du code pour le précodage PMI (Pre-coding Matrix Indicator) estimé par le mobile.
- SR (Scheduling Request) pour une demande de transmission de données en UL.
Ces informations de contrôle sont portées en général par le canal physique PUCCH (Physical Uplink Control Channel), mais elles peuvent être transmises par le canal physique PUSCH si celui-ci est présent.
Selon la taille des informations de contrôle UCI à transmettre,le canal PUCCH est défini parmi l’un des 4 différents formats suivant (format de contrôle 0 à 4) :
Figure 1 : Le canal PUCCH et les différents formats
Le format permet de spécifier la taille du message, le codage canal, le type de modulation et le multiplexage avec le signal de référence DMRS si possible : les formats 1 et 4 autorisent le multiplexage de l’UCI avec le signal de référence DMRS dans le PRB afin d’améliorer la démodulation (détection synchrone). Le format 0 ne met pas en œuvre de détection synchrone, car le gain de démodulation n’est pas suffisamment important.
Les formats 0 et 2 sont nommés format courts (SHORT PUCCH) car ils n’occupent qu’un seul ou deux symbole OFDM (soit 12 à 24 éléments de ressources), en général sur le dernier ou les deux derniers symboles d’un slot.
Les formats 1, 3 et 4 sont nommés format long car ils occupent 4 à 14 symboles OFDM. Un format long est utilisé pour des informations de tailles importantes ou par répétition pour améliorer la couverture (exemple format 1).
Figure 2 : La transmission du canal PUCCH court/long sur l’interface NR
Au niveau de l’interface LTE, le canal PUCCH est transmis dans les bandes de fréquences PRB extrêmes permettant une diversité sur les fréquences hautes/basses et une diversité temporelle au niveau des slots.
Au niveau de l’interface NR, le format PUCCH court est transmis sur un ou deux symboles dans un slot et le format PUCCH long sur 4 à 14 symboles du slot (figure 2).
Avant d’être transmis sur le bloc physique de ressource PRB, les informations de contrôles UCI sont modulées par une chaîne de transmission comprenant :
- un générateur de séquence de longueur 12 basé sur l’algorithme de Zadoff-Chu.
- une modulation (formats 1,2,3 et 4) ;
- un code DFT d’embrouillage (formats 2,3,4).
Figure 3 : Chaine de traitement de l’information de contrôle UCI (Source Matlab 1)
Le codage canal est un codage :
- De répétition si la taille de l’UCI est de 1 bit;
- Code correcteurs linéaires : code simplexe (taille de 2 bits) ou Reed Muller (Taille de 3 à 11 bits) ;
- Code polaire (taille > 11 bis).
La chaîne de transmission est codée par :
- Une séquence de Zadoff Chu (générateur de séquence s) ;
- Un déphasage cyclique v ;
- Un code orthogonal OCC (Orthogonal Cover Code) w.
Figure 4 : Illustration de la chaîne de transmission du canal PUCCH
- PUCCH Format 0
Le PUCCH format 0 est configuré sur 1 ou deux symboles OFDM dans un slot et dans un seul PRB. L’information portée par le format 0 (PF0) est soit un acquittement HARQ-ACK soit un bit SR ou les deux. Ainsi, un ou deux bits d’informations sont à transmettre ce qui définit une variable mcs qui vaut, selon le codage de gray :
- mcs =0 pour le bit 0 ou mcs =6 pour le bit 1
- mcs =0 pour les bits (00), mcs =3 pour les bits (01), mcs =6 pour les bits (11) et mcs =9 pour les bits (10)
Le générateur de séquence émet une séquence de Zadoff-Chu de longueur 12, initialisée par la valeur NID de la cellule.
Afin de permettre un multiplexage entre plusieurs terminaux, la séquence de zadoff-chu est affectée d’un décalage cyclique m0 dont la valeur est configurée entre 0 et 11. Cette séquence est nommée low PAPR et le décalage cyclique m0 est défini par un message de configuration dédié RRC via le paramètre InitialCyclicShift dans la configuration PUCCH-Config IE> PUCCH-Resource > PUCCH-Format 0 (TS 38.311) par BWP :
Ainsi, la séquence émise est un décalage en fréquence de valeur (m0 + mcs).
L’information UCI pour les transmissions URLLC utilisent de préférence le PF0 (PUCCH Format 0).
- Le canal PUCCH Format 1
Le canal PUCCH de format 1 transporte 1 à 2 bits UCI (HARQ-ACK et/ou SR) et est étalé sur 4 à 14 symboles permettant le multiplexage par code pour transmettre plusieurs acquittements de mobiles différents. Le signal UCI est codé par un code orthogonal OCC (Orthogonal Cover Code).
La modulation utilisée est soit la modulation BPSK (1 bit) ou QPSK (2 bits) et est multipliée par la même séquence de Zadoff-Chu de longueur 12. Un décalage cyclique m0 dont la valeur est configurée entre 0 et 11 est utilisé en plus du codage OCC (de longueur 2 ou 4) afin d’augmenter le nombre de terminaux qui émettent simultanément leur acquittement.
La détection cohérente apporte un gain au niveau de la réception du format long. La séquence DMRS est générée pour avoir un faible PAPR et un décalage en fréquence est appliqué.
Deux motifs de transmissions sont supportés :
- Motif d’extension ou le signal de référence DMRS et l’information UCI sont entrelacés ;
- Méthode de perforation (puncturing) ou le signal de référence DMRS est au milieu du slot.
Figure 6 : Les motifs pour le canal PUCCH format 1
- Le canal PUCCH Format 2
Le canal PUCCH de format 2 est un format court qui est utilisé pour transporter une quantité d’informations plus importantes que le PUCCH de format 0 ou 1 (CSI, ou plus que deux acquittement HARQ-ACK, par exemple dans le cas d’agrégation de porteuses). Plusieurs blocs de ressources PRB peuvent être utilisés pour des charges de données importantes, toutefois si le mobile doit acquitter plusieurs HARQ et qu’il n’est pas possible d’allouer assez de ressource radioélectrique, alors la priorité est donnée pour l’acquittement au dépend du rapport CSI.
Le codage utilisé est le code linéaire Reed-Muller pour une charge utile de 11 bits ou le code polaire au-delà avec l’ajout d’une entête CRC. Le signal est ensuite embrouillé par l’identité du terminal C-RNTI puis modulé en QPSK.
Plusieurs motifs de multiplexages en forme de peigne du signal DMRS et UCI sont proposées avec un rendement de ½, 1/3 ou ¼ comme le montre la figure 7 (sur le dernier symbole comme c’est le cas pour les formats PUCCH court).
Figure 7 : Les motifs pour le canal PUCCH format 2
- Le canal PUCCH Format 3
Le PUCCH format 3 est au PUCCH format 2 ce que le PUCCH format 1 est au PUCCH format 0. On a ainsi les mêmes caractéristiques que le PUCCH format 2 en transmettant sur 4 à 14 symboles (PUCCH format long).
La position du signal de référence peut exploiter le saut de fréquence (frequency hopping).
- Le canal PUCCH Format 4
Le PUCCH de format 4 est similaire au PUCCH de format 3 en ajoutant les codes OCC pour augmenter le nombre de transmission simultanées.
[1] Source Matlab : https://www.youtube.com/watch?v=Tc_ECMWSH30
[3] https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/138200_138299/138213/15.06.00_60/ts_138213v150600p.pdf
[4] https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/138300_138399/138331/15.03.00_60/ts_138331v150300p.pdf