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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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3. Organisation fréquentielle de l’interface radio
La nouveauté principale de la technologie NR repose sur la plus grande flexibilité de l'écart entre sous-porteuses, ainsi que la possibilité d’utiliser des fréquences au-delà de 6 GHz et d’intégrer plus facilement qu'en 4G-LTE des réseaux d’antennes.
3.1 Notion de numérologie
Une des caractéristiques de l’OFDM est que la largeur de modulation est identique à l’espacement en fréquence entre 2 sous-porteuses successives, désigné par Δf [TE 7 372]. L’interface radio 4G-LTE est basée sur un écart fixe entre sous-porteuses Δf = 15 kHz, ce qui correspond à une durée de symbole (sans le préfixe cyclique) de 1/Δf = 1/15 ≈ 0,067 ms soit 66,7 µs.
Le nombre de sous-porteuses sur lesquelles on peut faire la transmission est limité à 1 200 en 4G-LTE. Le maximum est porté à 3 300 en 5G-NR, ce qui est un moyen simple d'augmenter les débits. Avec Δf = 15 kHz, cela donne une bande maximale de 3 300 x 15 kHz, soit environ 50 MHz. Or, le débit maximal d'un système est directement proportionnel à la bande totale. Il a été donc proposé pour la 5G-NR d'utiliser, outre 15 kHz, des doubles, quadruples, etc. de 15 kHz, soit 30, 60, 120 kHz (ainsi que 240 kHz pour une version postérieure à la Rel 15). Chaque valeur de Δf correspond à une « numérologie ». La numérologie 0 correspond à Δf = 15 kHz. Par conséquent, la numérologie n correspond à Δf = 2n x 15 kHz (figure 14).
Comme en 4G-LTE, l'allocation ne se fait pas sous-porteuse par sous-porteuse mais par bloc de 12 sous-porteuses, qui forment ainsi...
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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 -
-
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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