[Cellular Network Study]


[Cellular Network  Study]

重新整理寫的很好的網站中的資料

LTE: UE Categories (CAT)

我們在討論LTE的手機或是LTE Dongle常常聽到CAT3 CAT4等等,全名叫做Categories,表示LTE終端裝置UE的傳送能力,不同的CAT代表能夠傳送的能力都不一樣。在3GPP TS 36.306之中有記載每個UE的能力有哪些選項,(其實這個文件的參數你都弄懂,也是非常有用的),在4.1 ue-Category的地方記載了這個東西。可以看到以下的表格,若是剛入門LTE的你,你會發現你看不懂以下的表格在寫什麼。
你可以你會發現下面有幾個名詞很難理解。

  • DL-SCH(Downlink Share Channel)
    • 下行共享頻道,也就是主要是用戶可以乘載自己所要資訊的頻道。
  • TTI(Transmission Time Interval)
    • 是指基地台給用戶安排資源的單位時間,這個就是叫Schdueling。LTE是1ms。

最右邊那個欄位是指能夠支援最大的MIMO Stream數量。這邊要注意MIMO Stream跟天線數量是兩回事,兩根天線不代表一定是兩個Stream,也有可能兩根天線傳的資料流是一樣的,所以他這邊列出來最大支援的Stream數。

所以代表下列表格Category 1 代表 每1ms 內可以下行傳送10296個bit。所以表示傳送吞吐量為10296bit/1ms= 10Mbits/s。依此類推,Category為 50Mbits/s

但要注意的是實際上DL-SCH不是只有拿來做給用戶下載用途用,例如可能會承載SIB1~SIB13等其他資訊,加上一些MAC跟RLC header,實際上上層的效能不可能這麼漂亮 。這邊我就先不深究了,先讓大家知道UE Categories怎麼來的。另外就是這個只是敘述UE能夠接收的最大能力值。但實際上基地台能傳送的理論值是不一樣的,有機會再用另外一篇文章探討要怎麼算出來

Radio Network Temporary Identifier(RNTI)

LTE enodeB所使用的身分辨識ID

RNTI 是用作UE在enodeB中,身分識別用的,而這個RNTI是用作enodeB在做調變Modulation之前做scrambling的,有一點類似WCDMA調變中的scrambling,也就是說利用scrambling的方式可以提高用戶對信號的辨識率,因為在傳送之前已經經過不同的擾動碼做擾動,UE就可以針對固定不同的擾動碼去解碼,間接提高了信號辨識率,也降低了同頻干擾。

下列表格代表 不同的RNTI用作在不同的用途,當然不同的用途就會有不同的Transport Channel跟Logical Channel

  • P-RNTI (Paging RNTI): 使用作為Paging之用,因為是paging,所以會有是使用特定的Scraming Value:FFFE,Paging的功能就是EnodeB在找UE的時候用的
  • SI-RNTI (System Information RNTI) :用作 System information 之用,也是使用特定的Scraming Value: FFFF,此EnodeB在廣播Cell inforamtion會使用的scraming,包括MIB、SIB1~SIB13
  • M-RNTI (MBMS RNTI): 在MBMS服務使用的RNTI,主要是MCCH資訊變更時使用,MBMS為LTE multicast 服務,也就是說可以在LTE上做長時間串流的服務像Video or Voice,此服務於Rel 9後定義
  • RA-RNTI (Random Access RNTI): RA-RNTI用作為 當UE傳送Random Access Message 時,EnodeB會回覆Random Access Response (RAR) 給特定的UE,若兩個UE同時發送Random Access時,兩個UE會聆聽PDCCH上不同的RA-RNTI,他們就可以辨別自己的RAR
  • TC-RNTI(Temporary Cell RNTI): 當Random Access後 Cell會發給UE一個暫時性的RNTI,這個暫時性的RNTI是避免在Random Access時有碰撞,確定碰撞之前,都是使用此TC-RNTI來傳輸,待確認沒有碰撞之後則會升級成C-RNTI。
  • C-RNTI (Cell RNTI): 當UE在RRC-Connected狀態使用的 RNTI
  • TPC-PUCCH-RNTI (Transmit Power Control-Physical Uplink Control Channel-RNTI) :用作指示不同UE做不同的 uplink Control channel power control所使用的 RNTI
  • TPC-PUSCH-RNTI(Transmit Power Control-Physical Uplink Shared Channel-RNTI): 用作指示不同UE做不同的uplink shared channel所使用的 RNTI

Physical layer Concept

  • LTE在實體層使用OFDM作為主要調變的方式
    • 原因 : 有良好的通道適應性,相較於WCDMA的技術,增加了7%的額外系統容量,所以被廣泛用在通訊的領域中,例如xDSL、DAB、WLAN、WiMAX、LTE

OFDM and LTE Subcarrier Introduction

  • 將頻寬上面分為許多個子載波(subcarrier),每個子載波再使用不同的調變方式去作傳輸,優點是相當的彈性,缺點就因為被切割得很細,所以容易會有額外的時間上的傳輸錯誤intersymbol interference(ISI)。或是載波頻率上的錯誤intercarrier interference(ICI),。有可能是QPSK、 16QAM、64QAM,依據狀況會使用不同的調變,若是要高可靠性就使用QPSK,若是要高傳輸速率就使用64QAM,而LTE中使用的OFDM,一個子載波的基本單位是 15KHz

Frame structure

Resource Element (RE)

  • Resouce Element(RE):最小的調變單位是,佔了一個頻率上的Subcarrier,每個subcarrier是15KHz。時間上的一個Symbol。每個RE可以表示2bits、4bits或6bits。這跟調變的方式有關係。至於為什麼是這樣,這個是一個很大篇的故事,這邊就不多作介紹。不過觀念的部分可以參考這篇文章。所以RE意思即是,我在一個Symbol時間跟subcarrier的頻率範圍中。我可以傳2bits、4bits或6bits。

Resource Block

Resource Block(RB):既然有了RE為什麼還要定義RB呢?因為RB是使用者或是系統功能分配到的最小單位,也就是同一個RB內的功能皆是相同的,部會在一個RB內夾雜了User Data跟系統訊息等,如果映射到Physical Channel的話,每個Resource Block都是特定的Physical Channel,這樣功能才會相同

Random Access Prodecure

先說說看什麼是隨機存取(Random Access),字面上的意思就是在時間的任何一個時刻要對傳輸媒體進行存取,實際上所謂的隨機存取一般都隱含了裝置競爭 的意義,除非傳輸的媒體事先都安排好(scheduling),否則競爭一個共用傳輸空間一定會遇到的過程,那你會想問,為什麼我用手機不幫我事先安排好呢?簡單的說因為手機太多,空氣中的資源不足,不可能每個人都持續佔有資源。

所以當手機想要存取空中的資源就會有隨機存取的機制。事實上不只是手機,像是wifi,也會有媒體上的競爭,這些裝置在處理隨機存取的方式都不一樣。我們就以LTE的隨機存取作介紹。

觸發 Random Access 的時機

  • 沒有分配到的空中資源,就必須靠Random Access程序去取得

  • RRC idle到 RRC connected狀態,通常是上層有東西要傳輸,例如Trackin Area Update、initial attach

  • RRC connected 但是跑到不同的Cell
  • RRC connected 但是uplink synchronization 並沒有建立

上述的狀況都會觸發 UE,Random Access的行為

3gpp 6.300 subcluse 10.1.5詳細寫著下列六種event會觸發Random Access的行為

  1. 從RRC idle要初始化進行傳輸
  2. RRC Connection Re-establishment,RRC連線的重建
  3. Handover,基地台之間的Handover
  4. 在RRC Connected狀態時,有Downlink資料要傳輸,卻需要Random Access,
  5. 在RRC Connected狀態時,有Uplink資料要傳輸,卻需要Random Access,例如例如 UL synchronisation不同步或在PUCCH缺少Service Request資源時。
  6. 在作定位時,例如 需要Timing Advance資訊時。

除此之外Random access procedure 分為兩種

  • Contention based (適用於前五項event);
  • Non-contention based (僅適用於3,4,6 event)
    所以要特別注意其中的用途

若是要使用Contenion Free,則是要在RRC Connected的狀態,而不能在RRC idle的狀態的情形,所以表示Paging所使用的Random Access必然是Contenion Based的。
使用Contenion Free 時,EnodeB會藉由RRC Reconfiguration 裡面的 rach-ConfigDedicated 去告知UE使用哪一個Preamble。
總結以上的說明,若是EnodeB Paging的狀況下,除了原本可能會有的信號遺失(例如Paging無法送到UE、UE離開現有tracking Area等等)的狀況外,也會產生無法避免的Contention Base的競爭。

Contention-based Random Access

  1. Msg1: Random Access Preamble,在一開始的階段,會有UE會在 64 個preamble中選出一個,在PRACH裡面做區別,所以意思是說許多UE在同一個enodeB裡面,只有64個選擇,64個裡面又分成四個PRACH configuration index,又只能用四分之一,這也隱含了選到同樣的機率很大,因為通常一個macrocell中會有數百個UE是很正常的,eNodeB收到此訊息之後會解開preamble,之後看RA-RNTI,就可以知道這個訊息是從哪個UE來的

2: Msg2:當EnodeB收到從UE來的Random Access Preamble之後,他會回一個Random Response 給UE,此訊息內包含了分配給UE的RB及MCS,另外也有一個TC-RNTI,此TC-RNTI用作在確認碰撞之前所使用的RNTI,這邊要注意一件事情,這邊所使用的physical Channel為PDSCH,並不是PRACH。

3: Msg3:當UE收到Random Access Response之後,就可以進行首次的傳輸,這個傳輸有可能夾帶RRC connection request,也可能是RRC connection re-establishment,也有可能是handover所產生,等等。

  1. Msg4:若是EnodeB收到兩個同樣的preamble的狀況,這時候EnodeB會回應給兩個UE,這時候UE同時會按照EnodeB所分配的RB去傳輸,EnodeB同時在同樣的RB下收到兩個UE的訊息,
    假設EnodeB只能判斷其中一個UE的TC-RNTI,那他會回給那個UE,另外一個UE則是會在timer expired之後會判斷競爭失敗,會重新發Random Access Preamble。
    若EnodeB兩個訊息都沒辦法判斷TC-RNTI,則兩個都不回,這時候兩個UE就會同時判斷失敗,同時重新做Random Access Preamble。

Contention-Free Random Access

  • 由EnodeB先指派Preamble後再由UE發起Random Access Preamble,所以也不會有所謂的碰撞問題,其他的流程就跟競爭的相同

LTE: Random Access Backoff

和 802.11 一樣會有倒數機制

RRC

RRC 狀態

  • RRC_IDLE
  • RRC_CONNECTION

RRC Procedure

RRC連接建立過程

RRC連接建立失敗過程

RRC連接重建過程

RRC連接重建拒絕過程

RRC連接重配置過程

RRC連接重配置異常過程

RRC連接釋放過程

RRC detail

https://www.cnblogs.com/kkdd-2013/p/3868676.html

Attatch Procedure

  • UE 對 LTE 核心網路進行註冊及認證

  1. RRC idle狀態的UE,要與核心網路傳輸之前必須要先進行Random Access Procedure以取得空中資源。所以UE這時向EnodeB進行 Random Access Msg 1的動作
  2. EnodeB 收到Random Access之後會回應Random Access Response,讓UE知道EnodeB 有收到此訊息,並告知 UE 參數何時可以上傳
  3. UE收到 Random Access Response之後,即可開始進行RRC Connection Request
  4. EnodeB 收到RRC Connection Request後即會回覆UE的RRC Connection Setup,UE收到RRC Connection Setup之後,表示收到SRB1 。
  5. UE使用 SRB1 向eNodeB發送 RRC Connection Setup Complete,告知EnodeB已經做好 SRB1的配置,並且夾帶Attach Request在 RRC訊息內的 "dedicatedInfoNASList" 進行傳送。
  6. EnodeB 收到後會將 "dedicatedInfoNASList" 的訊息直接往後端MME傳送,而不做處理。
  7. MME收到Attach Request之後,通常會向UE進行Authentication的步驟,確認UE是網路合法的用戶
  8. 確認UE的身分後,MME會發送 Attach Accept,並主動建立Default EPS Bearer,讓UE有封包傳送能力 並告知EnodeB Initial Context Setup要做些什麼,例如說要不要加密等等行為
  9. EnodeB收到 Attach Accept之後,這時 EnodeB會先確認UE裝置目前的能力為何,故使用UE Capability Enquiry,例如說UE可不可以使用WCDMA、EVDO、GSM、1x的訊號等等能力,因為SIM卡可以插不同的手機
  10. UE收到後會回覆UE Capability Information來讓EnodeB知道自己UE的裝置能力
  11. EnodeB收到後也會轉送給MME讓MME知道UE的能力狀況,並在MME資料上做更新
  12. 若EnodeB在第八步驟收到EnodeB Initial Context Setup是需要做加密的,這時就會使用Security Mode Command與UE加密初始化的動作
  13. UE確認加密訊息沒問題之後 會回覆給EnodeB Security Mode Complete 在此之後的訊息就都是加密,必須要密鑰才可以解的開
  14. 確認加密之後EnodeB將進行 8. 的 Attach Accept 及 Activate Default EPS Bearer。這時UE會重新配置RRC,包括重新配置SRB1,及設置SRB2及DRB等
  15. UE設置完之後告知EnodeB已經設定完RRC的資源,
  16. EnodeB 告知 MME initila Context Setup Response,表示MME所要做的事情已經做完。
  17. UE在配置完之後,回傳 Attach Complete,Active EPS Bearer context Accetpt給EnodeB,實際上是包在 "dedicatedInfoNASList" 裡面要給MME的回覆訊息。
  18. EnodeB轉送UE "dedicatedInfoNASList" 中的訊息給MME,至此UE就可以開始使用Default EPS bearer進行資料的傳送。
  • SRB, DRB
    • 空中資源的調配,位於RRC層

UE 的認證是由 eNodeB forward 給 MME 確認

EPS Bearer Activation

  • 傳輸資料前要做的事
    • Attach
    • EPS Bearer Activation

EPS bearer是指乘載LTE封包的機制,網路端針對每一個不同的 EPS bearer 會有不同的QoS的機制,也會被導向至不同的 P-GW
LTE是 IP only 的網路,如果沒有建立EPS bearer則無法進行任何傳輸

LTE IP分配 (LTE IP address allocation)

透過 Attach requestattach accept 的步驟。UE除了得到EPS Bearer之外,UE同時也必須要取得IP,用以透過 PDN Gateway 去跟IP network傳輸。但因為UE在attach過程中還沒有IP的能力。這時只能藉由 NAS 去讓UE取得IP

LTE EPC如何去協助 UE 取得 IP ?

UE跟網路取得IP的方式

  • IPv6 stateless address autoconfiguration
    • 網路給UE prefix,讓UE加上自己的interface ID,就可以形成一個IPv6的address,而 DNS server address的部分則是使用 ESM 去取得。
  • Stateless DHCPv6
    • 網路給UE prefix,但是DNS則由DHCP取得。
  • DHCPv4
    • 若是使用DHCPv4,網路會assign address給UE 0.0.0.0,再讓UE去使用DHCPv4去取得IP

注意:不支援stateful IPv6的取得。

在 UE 做PDN connection request的時候,會指定PDN type,並且在protocol configuration options附上偏好取得IP的方式。網路收到之後,會參考網路相關的偏好去回給UE。例如雖然UE要求IPv4 但是網路僅支援IPv6,則網路會拒絕UE的連線,而當UE要求IPv4v6的時候,若網路只支援IPv4,那只會回給UE僅支援IPv4。IPv6亦是如此
實務上通常營運商會規定手機連上PDN要用什麼PDN type

何時取得IP

ESM(EPS Session Management)訊息中做交換,藉由PDN連線時,同時進行。利用下面兩個步驟去協調IP取得的方式

UE --> PDN connection request (PDN Type、Protocol configuration options)--> MME

UE <-- Activate Default EPS Bearer Context Request(PDN Type、Protocol configuration options) <-- MME

Note:在同一個PDN 連線用的IP都一樣,所以同一個不管是 default bearerdedicated bearer都是使用同一個IP

default bearer:
dedicated bearer:

UE有下列幾種方式取得IP

  • 由HPLMN 分配IP (dynamic or static HPLMN address)
  • 由VPLMN 分配IP (dynamic VPLMN address)
  • 由PDN operator 去分配
  • 參考資料:
    • 24.301 subclause 6.2
    • 23.401 subclause 5.3.1

Paging Procedure

Paging 字面上的意思就是傳呼,就是類似以前的 BB call,也就是去呼叫 UE 的意思, 並且 UE 會開始主動做 RRC, Random Access

Process RRC, Random Access Paging
方向 UE -> eNodeB UE <- eNodeB
  • Paging Eessential Knowledge
    雖然Paging的動作很單純,就是這個動作乍看很單純,Paging實際上牽扯到幾件很重要的事情,必須要在講Paging之前解釋

    • Tracking Area(TA),通常 Paging的範圍是在一個Tracking Area裡面的EnodeB,網路端要對UE進行Paging的時候,你要知道UE大致在哪邊,才有辦法知道paging的範圍,不然為了要paging一個UE,每次都要全台灣的EnodeB做paging,會嚴重耗費網路資源
    • Discontinuous Reception(DRX),這是為了UE端的省電機制,UE在有條件下面關掉射頻模組,以達到省電的目的,也就是說UE沒事會睡一下,以節省電力,定期再醒來檢查自己有沒有被老師叫到。有機會再對DRX做深入的介紹
  • Paging Process

  1. 當網路端或 EnodeB 需要對UE進行資料傳送時,這時候EnodeB會對UE進行 Paging,這時EnodeB會在PDCCH中以P-RNTI夾帶Paging提醒的訊息,UE符合R-RNTI者,會解碼PDCCH中資訊,內含UE要去PDSCH的哪個位置找paging的詳細資訊。
  2. 當UE找到Paging的詳細資訊後,會對EnodeB進行Random Access Procedure,並進行RRC Connection。注意Paging完還是要由UE進行RRC連線,所以Paging只是一個提醒的功能,初始化RRC還是需要由UE來。
  3. 做完RRC後,若為網路端要傳送資料,則UE進行Attach Request。

PDSCH

  • PDCCH:

LTE Paging type

Paging detail

http://www.techtrained.com/paging-procedure-lte/

Tracking Area

用來追蹤手機位置用

Tracking Area通常會是數個Cell的集合,通常是用作追蹤UE的實體位置,為何要追蹤UE的實體位置,當基地台在作paging的時候,若沒有tracking area,只有兩個方式作paging,

  • 所有的cell都要做paging,此是相當耗費資源。
  • 單一cell作paging,萬一UE離開了則會找不到UE。

所以才會產生tracking area的概念,數個基地台構成一個tracking area

  • Tracking area update(TAU)
    • 當UE離開了一個tracking area之後,到了另一個tracking area,則會產生這個動作

每一個Tracking Area就會有自己的編號,編號又分兩種

  • Tracking area code(TAC)
    • TAC的定義為營運商自己對tracking area的編號
  • Tracking area identity(TAI)
    • 全球性的編號,TAI是由MCC (Mobile Country Code)+MNC(Mobile Network Code)+TAC所組成。

在UE 初次進行 attach 時 MME 會配給UE一組TAI List,意思就是網路在進行paging時,會對這些TAI List內的cell進行呼叫。所以UE離開TAI List中的cell時,就會進行TAU,這樣網路端跟UE之間的TAI就會同步

MCC: ???
MNC: ???
MME:

Discontinuous Reception(DRX) Introduction

關閉接受器減少回應 paging 造成的耗電

Refs

#LTE #3GPP #cellular






留言討論