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RÉSUMÉ
La 5G a été spécifiée pour offrir des débits de l’ordre du Gbit/s et des latences de quelques ms. Pour remplir cet objectif, une nouvelle interface radio 5G appelée New Radio (NR) a été définie. Celle-ci s’appuie sur l’interface radio 4G qui a prouvé son efficacité et la pertinence de son architecture en couches. Cet article expose les principes généraux de l’interface 5G-NR, calquée sur la 4G mais étendant considérablement les possibilités ouvertes par les réseaux d’antennes (technologies MIMO). Il souligne les différences liées aux organisations fréquentielles (numérologies) et temporelles (structure de trame) et justifie en quoi ces organisations permettent d’envisager des débits élevés et des latences réduites. Il aborde enfin les fonctions de contrôle : voie balise, mécanisme d’accès initial et signaux de référence sur une liaison établie.
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Xavier LAGRANGE : Professeur - IMT Atlantique / IRISA, Rennes, France
INTRODUCTION
Les réseaux 5G visent un débit de quelques Gbit/s et des latences de l’ordre de la milliseconde ainsi qu’une forte capacité en Gbit/s par cellule, tout en limitant la consommation énergétique. Ces objectifs nécessitent de modifier l’interface radio des réseaux 5G par rapport à celle des réseaux 4G. Le choix a été fait de reprendre les mêmes principes d’architecture du réseau d’accès radio et de garder la transmission sur des sous-porteuses orthogonales ou Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) pour faciliter la transition de la 4G vers la 5G. En revanche, les paramétrages possibles sont beaucoup plus nombreux tant dans le domaine fréquentiel que dans le domaine temporel. Une caractéristique importante de l’interface radio 5G-NR est qu’elle est conçue pour permettre l’utilisation des réseaux d’antennes qui peuvent être utilisés à la fois pour concentrer le rayonnement dans la direction d’intérêt (formation de faisceaux) et pour permettre des transmissions de différents flux sur la même ressource temps-fréquence, principe des techniques Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO).
L’objectif de cet article est d’exposer les principes essentiels de l’interface radio 5G, appelée New Radio (NR) et de montrer en quoi les choix faits permettent d’atteindre les objectifs visés. Après une présentation de l’architecture physique et protocolaire, il passe en revue les principes généraux de transmission et d’allocation et introduit les technologies multi-antennes. Il aborde l’organisation fréquentielle, ce qui permet de déduire l’ordre de grandeur des débits atteignables suivant les différentes gammes de fréquence, puis l’organisation temporelle pour souligner l’influence sur la latence. Il explique comment la voie balise est organisée pour réduire la consommation énergétique et autoriser la formation de faisceaux, puis en quoi les mécanismes d’accès sont cohérents avec cette organisation. Il se conclut avec une présentation des fonctions de contrôle sur une liaison radio établie et notamment sur les principaux signaux de références insérés dans la transmission qui sont indispensables à ce contrôle.
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7. Fonctionnement d’une liaison radio établie
Sur une liaison établie, le terminal doit être capable d’identifier sur la voie descendante les ressources à écouter pour décoder les paquets qui lui sont destinés et sur la voie montante, les ressources qu’il peut utiliser pour transmettre ses données. C’est le mécanisme d’allocation de ressources. Par ailleurs, il doit disposer de signaux de référence pour analyser le canal et démoduler correctement le signal, tout spécialement en cas de transmission multi-antennes.
7.1 Allocation de ressources
Sur l’interface radio 4G-LTE, l’allocation de ressources pour la voie descendante ou la voie montante se fait systématiquement sur les premiers symboles de chaque sous-trame de 1 ms et le message d’allocation est étalé sur toute la bande.
Le mécanisme est plus souple en 5G-NR. L’allocation est indiquée en début de slot mais pas nécessairement sur le tout premier symbole. De plus, les symboles composant les messages d’allocation ne sont pas répartis dans toute la bande mais sont confinés dans une partie de cette bande, typiquement un BWP, comme indiqué dans la figure 31. L’ensemble des symboles contenant les allocations est appelé CORESET (COntrol-RESource SET).
Les symboles CORESET peuvent occuper un à trois symboles successifs à partir du premier au troisième symbole du slot comme indiqué à la figure 32. Dans le message DCI, outre les PRB alloués, sont indiqués le numéro de symbole où commence le bloc alloué et le nombre de symboles alloués pour la transmission, ou autrement dit l’ensemble des symboles formant le Physical Downlink Shared CHannel (PDSCH). Il faut noter qu’il est possible qu’un même slot soit partagé entre différents utilisateurs et qu’une transmission se fasse sur un nombre de symboles plus petit qu’un slot. En résumé, la granularité d’allocation est très fine.
Les CORESET peuvent être diffusés sur toute la cellule ou bien être ciblés par l’utilisation d’un faisceau. La diffusion permet de s’assurer que le message d’allocation est bien reçu même si la direction du faisceau pour les données n'est pas bien calée par rapport à la position du terminal. La formation de faisceaux permet si nécessaire d’augmenter la portée et elle est plus économe en énergie.
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Fonctionnement d’une liaison radio établie
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DAHLMAN (E.), STEFAN (P.), JOHAN (S.) - 5G-NR : The next generation wireless access technology. - Academic Press (2018).
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(2) - MEIK (K.) et al - 5G New radio, Fundamentals, procedures, testing aspects. - Published by Rohde&Schwartz.
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(3) - BERNSTEIN (D.S.) - Matrix Mathematics – Theory, Facts, and Formulas. - Princeton University Press.
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Technical Specification 3rd Generation Partnership Project ; Technical Specification Group Radio Access Network ; NR ; User Equipment (UE) radio transmission and reception ; Part 1 : Range 1 Standalone (Release 15), http://3gpp.org/dynareport/38101.html. - 3GPP TS 38.101 -
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Technical Specification 3rd Generation Partnership Project ; Technical Specification Group Radio Access Network ; NR ; Physical layer ; General description (Release 15), http://3gpp.org/dynareport/38201.html. - 3GPP TS 38.201 -
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Technical Specification 3rd Generation Partnership Project ; Technical Specification Group Radio Access Network ; NR ; NR and NG-RAN Overall Description ; (Release 15), http://3gpp.org/dynareport/38300.html. - 3GPP TS 38.300 -
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Technical Specification 3rd Generation Partnership Project ; Technical Specification Group Radio Access Network ; NG-RAN ; Architecture description (Release 15), http://3gpp.org/dynareport/38401.html. - 3GPP TS 38.401 -
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Common Public Radio Interface : eCPRI Interface Spec. V2.0, [online] Available : http://www.cpri.info/downloads/eCPRI_v_2.0_2019_05_10c.pdf. - eCPRI -
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“IMT Vision – Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond”, M.2083-0, sept 2015. - ...
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