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
- 從RRC idle要初始化進行傳輸
- RRC Connection Re-establishment,RRC連線的重建
- Handover,基地台之間的Handover
- 在RRC Connected狀態時,有Downlink資料要傳輸,卻需要Random Access,
- 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。
- 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
- 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。
- 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
- 在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
- 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
- UE收到 Random Access Response之後,即可開始進行RRC Connection Request
- 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 。
- 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。
- EnodeB 收到後會將 "dedicatedInfoNASList" 的訊息直接往後端MME傳送,而不做處理。
- 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
- 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
- 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
- UE收到後會回覆UE Capability Information來讓EnodeB知道自己UE的裝置能力
- 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
- 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
- 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
- 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
- UE設置完之後告知EnodeB已經設定完RRC的資源,
- EnodeB 告知 MME initila Context Setup Response,表示MME所要做的事情已經做完。
- 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。
- 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 request 與 attach 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 bearer 或dedicated 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
- 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。
- 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。
- 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