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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

 

 

SDT – Small Data Transmission (2ème)

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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 NCS 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.

Pool de MME

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I) Principe et rappels

Lorsque l’UE est à l’état EMM-Registered et ECM-Idle, il est localisé sur une zone nommée Tracking Area. Une seule zone de localisation suffit pour le LTE puisque l’UE n’est enregistré que sur le domaine en commutation de paquets.

A ce titre, on peut rappeler que sur le réseau 2G/3G, le mobile est localisé :

  • LA : Location Area pour la localisation dans le domaine CS
  • RA : Routing Area pour la localisation dans le domaine PS

Pour le LTE, la localisation de l’UE est initialisée par la requête d’attachement au réseau. Ensuite, la requête de Update de TA (TAU) est déclenchée soit périodiquement à la fin d’un Timer soit sur détection de changement de TA par l’UE.

Des mécanismes particuliers ont été mis en oeuvre en 4G permettant à l’UE d’être enregistré sur plusieurs TA simultanément.

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II) Enregistrement de l’UE sur Plusieurs TA

Dans des zones à forte mobilité (Voie ferroviaire ou autoroutière), l’UE passe rapidement d’une zone de TA à une autre, déclenchant ainsi de la sig pour la mise à jour de la localisation. Pour alléger le nombre de requêtes TAU, le MME peut indiquer une liste de TA à l’UE et tant que l’UE est sur un eNb ayant un TAI appartenant à cette liste, l’UE ne procède par à une demande de mise à jour.

III) Pool de MME : Mécanisme S1-flex

A l’inverse, une zone de TA peut aussi être gérée par plusieurs MME. On parle de pool MME (ensemble). L’avantage est de pouvoir faire basculer le contexte d’un UE (contexte crée lors de l’attachement par exemple) vers un autre MME appartenant au même pool afin de faire du partage de charge ou un partage de réseau (network sharing). Dans le cas du partage de réseau, un pool de MME peut appartenir à plusieurs opérateurs. Lorsque le réseau veut réaliser un partage de charge, il doit donc transférer le contexte de l’UE d’un MME à un autre MME du même pool, ce qui nécessite de la part du mobile de lancer une procédure de TAU. Or comme cette demande est à l’initiative du réseau, l’UE est notifié de cette demande par l’eNB qui relâche la connexion RRC avec la cause loadbalancing (même si le MME est mis en maintenance).

Un eNb, comme par exemple l’eNB 2 est connecté à différents MME, cela est nécessaire dans le cas de RAN Sharing ou plusieurs opérateurs ne souhaitent partager que les antennes.

On appelle le mécanisme S1-flex la possibilité pour un eNb d’être connecté à plusieurs MME, mais attention il n’existe qu’une seule interface S1-MME par couple MME – eNb. L’eNb est à l’initiative de cette association et les fonctions du S1-MME sont gérées par le protocole S1-AP

IV) Mécanisme ISR

ISR – Idle mode Signaling Reduction est un mécanisme qui permet de réduire la signalisation lorsque l’UE fait une procédure de re-sélection inter-RAT.

Nous avons vu dans le premier paragraphe que l’UE est localisé en fonction du réseau 2G/3G ou 4G selon le LA, RA ou TA. Dans le cas du passage du réseau LTE au réseau UMTS, l’UE sera localisé en TA puis en RA. Lors de la re-sélection de cellule, l’UE doit faire une mise à jour de sa localisation, même s’il passe régulièrement de la 3G au LTE en restant toujours dans les mêmes cellules.

Le mécanisme ISR consiste à conserver au niveau de l’UE les identifiants de cellules ( RA et TA seulement car le LTE ne fonctionne que dans le domaine Paquet) et en cas de re-sélection d’un système à un autre, l’UE compare l’information de la cellule et n’alerte le MME ou le SGSN qu’en cas de modification de cellule. Par contre, en cas de paging, les notifications d’appels seront envoyées sur les deux cellules des zones TA et RA

Lorsque l’UE fait une demande de localisation LA pour le domaine CS, et si l’UE est attaché au domaine CS du LTE (cas pour le mécanisme de CSFB) alors l’ISR est désactivé.