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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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5. Voie balise
Dans tout système cellulaire, chaque station de base émet périodiquement un signal de référence pour permettre à tout terminal de la détecter. C’est le principe de la voie balise. Elle permet également au terminal de se synchroniser sur la station de base, de mesurer la puissance avec laquelle il la reçoit et de déterminer les principaux paramètres de transmission. Les fonctions de voie balise en 5G-NR sont regroupées dans une structure appelée bloc de synchronisation, ou Synchronisation Signal Block (SSB). Ce bloc joue un rôle essentiel et sa structure a été définie pour permettre de combiner, autant que possible, faible consommation énergétique et rapidité de détection.
5.1 Signaux diffusés en permanence par une station de base 4G
Sur un interface radio 4G-LTE, les fonctions de détection et de synchronisation, d'une part, et de mesures de puissance par le terminal, d'autre part, reposent sur deux mécanismes différents :
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la détection et la synchronisation d'un terminal sont rendues possibles par l'émission de séquences de synchronisation typiquement toutes les 5 ms ;
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la mesure de puissance par un terminal est possible grâce à la dissémination de signaux de références sur l'ensemble de la bande utilisée et une fois tous les 3,5 symboles OFDM en moyenne.
Cela signifie que pour être détectable, une station de base 4G doit émettre très fréquemment sur quasiment toute la bande utilisée, y compris si la charge à écouler est totalement nulle. À titre d'illustration, on représente dans la partie haute de la figure 25 les symboles émis pendant une durée de 5 ms en 4G-LTE par une station n'écoulant aucun trafic. L'émission d'un nombre conséquent de signaux de références représente un gaspillage d'énergie.
En 5G, les fonctions de voie balise sont réalisées par l'émission périodique du bloc de synchronisation SSB. Les signaux de références ne sont pas transmis systématiquement mais sont insérés dans les blocs de ressources effectivement utilisés. Comme l’illustre le bas de la figure 25, à charge nulle, une station de base 5G transmet beaucoup moins que son équivalent 4G.
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Voie balise
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 -
-
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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