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lte.rst

File metadata and controls

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LTE 筆記

3G

.----------------------------------------------------.
|                                                    |
|                         +-----+                    |
|      (( o ))            | RNC |                    |
|         |               +-----+                    |
|        / \                  |                      |
|       /   \             +-----+                    |
|      /NodeB\------------| RNC |------ Core Network |
|     /_______\           +-----+                    |
|                             |                      |
|   .                (( o ))  |                      |
| .-'.                  |     |                      |
| |UE|                 / \    |                      |
| '--'                /   \   |                      |
|                    /NodeB\--'                      |
|                   /_______\                        |
|                                                    |
'----------------------------------------------------'
  • UMTS
    • Universal Mobile Telecommunications System,通用行動通訊系統
    • 由許多東西組成
  • NodeB
    • 就是基地台
  • RNC
    • 連接各基地台的 Controller
  • UTRAN
    • UMTS Terrestrial Radio Access Network
    • 包含 UE、NodeB、RNC

LTE

系統架構圖

{{{
.--------------------------------------------------------------------------------------.
|                       ||                                                             |
|        E-UTRAN        ||                       Evolved Packet Core                   |
|                  S1 Interface                                                        |
|                       ||                                                             |
|                       ||      S6a    .-----.                                         |
|                       ||      .------| HSS |                                         |
|                       ||      |      '-----'                                         |
|                S1-MME ||   .------------.                                            |
|             .--------------| Mobility   |                                            |
|             |         ||   | Management |                  .------.                  |
|         .--------.    ||   | Entity     |             .----| PCRF |------.           |
|         | eNodeB |    ||   |   (MME)    |             |    '------'      |           |
|         '--------'    ||   '------------'             |                  |           |
|             |         ||            |                 |                  |           |
|             |X2       ||            |S11              |                  |           |
|   .         |         ||            |                 |               ,-*`'-._.-*-,  |
| .-'.    .--------.    ||   .-----------------.S5/S8.-------------.   ( Operator's  ) |
| |UE|----| eNodeB |---S1-U--| Serving Gateway |-----| PDN Gateway |---( IP services ) |
| '--'    '--------'    ||   |     (S-GW)      |     |   (P-GW)    |    `*'-._.-*-.-'  |
|                       ||   '-----------------'     '-------------'                   |
|                       ||            |S4 (2G/3G)                                      |
|                       ||            |                                                |
'--------------------------------------------------------------------------------------'
}}}
  • E-UTRAN - Evolved Universal Terrestrial Radio Access
    • 是 LTE 的一部份,相當於 UTRAN,但只由 UE 和 eNodeB 組成,沒有 另外的 Controller
  • Evolved-Node B
    • 就是 LTE 基地台,簡稱 eNB、eNodeB 等
    • eNodeB 的介面有標準化,使多個電信商之間可以合作
    • 使用 S1-AP Protocol 透過 S1-MME 介面和 MME 溝通
    • 使用 GTP-U Protocol 透過 S1-U 介面和 S-GW 溝通
  • System Architecture Evolution (SAE)
    • 和 LTE 一起組成 Evolved Packet System (EPS)
    • 包含 Evolved Packet Core (EPC)
  • Evolved Packet Core
    • LTE 核心網路,簡稱 EPC
    • 負責所有對 UE 的操作以及發起 bearer
    • 由以下節點組成
      • PDN Gateway (P-GW)
      • Serving Gateway (S-GW)
      • Mobility Management Entity (MME)
      • Home Subscriber Server (HSS)
      • Policy Control and Charging Rules Function (PCRF)
  • PCRF - Policy Charging and Rules Function
    • 類似 P-GW 的 controller
    • Policy
    • Charging
    • Rules
  • Home Subscribe Server (包含 Home Location Register (HLR))
    • 一個資料庫,處理每個 user 可否連接到各個 PDN,以及 roaming 時的連接限制
  • P-GW - Packet Data Network Gateway,PDN Gateway
    • EPS 的入口,接上 Internet,通常只有一台
    • 為 UE 保留 IP (DHCP 功能)
    • 根據 PCRF 處理 flow-based charging (動態去問 PCRF 或是 UE 在 attach 時就下好 rule)
    • 處理 downlink QoS
    • LTE 和 non-3GPP 網路之間的錨點 (例如 CDMA2000 和 WiMAX)
    • 記錄 Uplink TFT (Traffic Flow Table)
    • 在特殊狀況下攔截、監聽封包
  • S-GW - Serving Gateway
    • 可以多台,但一台很貴,品質好的一台 S-GW 可以支援數萬台 eNodeB
    • 所有 IP 封包都經過 S-GW
    • UE 在 eNodeB 之間換手時 S-GW 會處理
    • UE idle 時負責 buffer 住 downlink data
    • LTE 和其他 3GPP 網路之間的錨點 (如 GPRS 和 UMTS)
      • 若 UE 要換手到 2G/3G 網路
      • S-GW 會和舊網路建立一個 Shortcut,外來的流量仍然透過 S-GW 轉給舊網路,最後轉給 UE
  • MME - Mobility Management Entity
    • 可以多台
    • UE attach 時先向 MME 認證 (MME 再去向 HSS 查詢)
    • 處理 UE 和 Core Network 之間的信令
    • 只有 MME 可以存取 HSS
  • UE - User Equipment
    • 通常指手機
    • UE 和 MME 之間的 Protocol 為 Non Access Stratum
      • "非接觸" 是指 UE 和 MME 之間沒有直接接觸(因為MME 不是基地台)
    • UE 和 eNodeB 之間的 Protocol 為 Access Stratum

LTE Protocol Stack

Control plane protocol stack (figure 2.7)

{{{
.------------------------------------------------------------.
|             |                    |                         |
|          LTE-Uu               S1-MME                       |
|             |                    |                         |
|   .------.  |    .----------.    |  .-------.              |
|   | NAS  |  |  .'   Relay    '.  |  | NAS   |  Radio       |
|   |------|  |  |-----. .------|  |  |-------|  Network     |
|   | RRC  |  |  | RRC  | S1-AP |  |  | S1-AP |  Layer       |
|   |------|  |  |------|-------|  |  |-------| ~ ~ ~ ~ ~ ~  |
|   | PDCP |  |  | PDCP | SCTP  |  |  | SCTP  |  Transport   |
|   |------|  |  |------|-------|  |  |-------|  Network     |
|   | RLC  |  |  | RLC  | IP    |  |  | IP    |  Layer       |
|   |------|  |  |------|-------|  |  |-------|              |
|   | MAC  |  |  | MAC  | L2    |  |  | L2    |              |
|   |------|  |  |------|-------|  |  |-------|              |
|   | L1   |  |  | L1   | L1    |  |  | L1    |              |
|   '------'  |  '--------------'  |  '-------'              |
|      UE     |      eNodeB        |     MME                 |
|             |                    |                         |
'------------------------------------------------------------'
}}}

User plane protocol stack (figure 2.6)

{{{
.----------------------------------------------------------------------------------.
|                    |                     |                       |               |
|                 LTE-Uu                 S1-U                    S5/S8             |
|                    |                     |                       |               |
|   .-------------.  |                     |                       |               |
|   | Application |  |                     |                       |               |
|   |-------------|  |    .-----------.    |    .-------------.    |  .--------.   |
|   | IP          |  |  .'   Relay     '.  |  .'     Relay     '.  |  | IP     |   |
|   |-------------|  |  |-----. .-------|  |  |-------. .-------|  |  |--------|   |
|   | PDCP        |  |  | PDCP | GTP-U  |  |  | GTP-U  | GTP-U  |  |  | GTP-U  |   |
|   |-------------|  |  |------|--------|  |  |--------|--------|  |  |--------|   |
|   | RLC         |  |  | RLC  | UDP/IP |  |  | UDP/IP | UDP/IP |  |  | UDP/IP |   |
|   |-------------|  |  |------|--------|  |  |--------|--------|  |  |--------|   |
|   | MAC         |  |  | MAC  | L2     |  |  | L2     | L2     |  |  | L2     |   |
|   |-------------|  |  |------|--------|  |  |--------|--------|  |  |--------|   |
|   | L1          |  |  | L1   | L1     |  |  | L1     | L1     |  |  | L1     |   |
|   '-------------'  |  '---------------'  |  '-----------------'  |  '--------'   |
|         UE         |      eNodeB         |      Serving GW       |    PDN GW     |
|                    |                     |                       |               |
'----------------------------------------------------------------------------------'
}}}

Radio Architecture

{{{
P.53 Figure 3.1
.------------------------------------------------------------------------------------------------------------.
|          Notification   Common                     Dedicated                                               |
|                |           |                           |                                                   |
|            +---'--+  +-----'-----+     +---------------'----------------+    SRB = Signalling Radio Bearer |
|            |Paging|  |  System   |     |     Dedicated Control &        |    DRB = Dedicated Radio Bearer  |
|            +---.--+  |information|     |      Information Transfer      |                                  |
|       RRC      |     +-----.-----+     +--.------------.-------------.--+                                  |
|                |           |              |            |             |                                     |
| Radio   - - - -|- - - - - -|- - - - - - SRB0 - - - - SRB1 - - - -  SRB2 - - - -  DRB1 - - - -  DRB2        |
|  Bearers       |           |              |            |             |             |             |         |
|                |           |              |       +----'-----+  +----'-----+  +----'-----+  +----'-----+   |
|                |           |              |       |integrity&|  |integrity&|  |Ciphering&|  |Ciphering&|   |
|                |           |              |       |ciphering |  |ciphering |  |  ROHC    |  |  ROHC    |   |
|                |           |              |       +----.-----+  +----.-----+  +----.-----+  +----.-----+   |
| PDCP & RLC     |           |              |            |             |             |             |         |
|                |           |              |          +-'-+         +-'-+         +-'-+         +-'-+       |
|                |           |              |          |ARQ|         |ARQ|         |ARQ|         |ARQ|       |
|                |           |              |          +-.-+         +-.-+         +-.-+         +-.-+       |
|                |           |              |            |             |             |             |         |
| Logical   - - PCCH - - - BCCH - - - - - CCCH - - - - DCCH1 - - - - DCCH2 - - - - DTCH1 - - - - DTCH2       |
|  Channels      |           |              |            |             |             |             |         |
|                |           +--------------+---------.  |             |             |             |         |
|                |           |              |       +-'--'-------------'-------------'-------------'-----+   |
|       MAC      |           |              |       |            Multiplexing & HARQ control             |   |
|                |           |              |       +-------------.------------------.-------------------+   |
|                |           |              |                     |                  |                       |
| Transport - - PCH - - - - BCH - - - - - RACH - - - - - - - - DL-SCH - - - - - - UL-SCH                     |
|  Channels      |           |              |                     |                  |                       |
|              +-'-----------'--------------'---------------------'------------------'-------------------+   |
|       PHY    |                            Physical Layer Functions                                     |   |
|              +-------------.--------------.---------------------.------------------.-------------------+   |
|                            |              |                     |                  |                       |
| Physical - - - - - - - - PBCH - - - - - PRACH - - - - - - - - PDSCH - - - - - - - PUSCH                    |
|  Channels                                                                                                  |
'------------------------------------------------------------------------------------------------------------'
}}}

LTE 的各個介面

  • X2 介面
    • eNodeB 之間的介面
    • X2 介面是實體線路
    • UE 在 eNodeB 之間換手稱為 X2-handover
  • S1-MME
    • eNodeB 和 MME 之間的介面
    • 使用 S1-AP Protocol
  • S1-U
    • eNodeB 和 S-GW 溝通
    • 使用 GTP-U Protocol

LTE Frame Structure

LTE 把時間分成許多部份,用來管理訊號在時間上的分佈

  • 1 個 Frame 10 ms
  • 1 個 Frame 有 10 個 Subframe (= 1 ms)
  • 1 個 Subframe 有 2 個 Timeslot (= 0.5 ms)
  • 1 個 Subframe 有 14 個 Symbol Period
  • 1 個 Symbol Period 可以傳送一個 Symbol
  • Special Subframe
    • 從 Downlink 轉為 Uplink 模式需要安插一個 Special Subframe
    • Special Subframe 的下一個保留給 Uplink 傳輸
    • 從 Uplink 轉為 Downlink 不需 Special Subframe
  • Subframe 編號從 0 ~ 9
    • Subframe0 和 Subframe5 保留給 Downlink 傳輸
  • Subframe0 在每個基地台之間是同步的
  • Physical Resource Blocks (PRB)
    • 1 個 Timeslot x 12 個 Subcarrier (15kHz) = 1 個 PRB (180 kHz)
    • 每個時間點,1 個 PRB 只能有一個 User 傳資料

Physical Layer

  • OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access)
    • LTE Downlink
    • OFDM 的演進
    • OFDMA 使用很多個互相 "垂直" 、窄的頻段載波來傳送資料
      • 每個 Subcarrier 寬度 15 kHz
    • 這些載波可以被當成資源在不同使用者之間 Scheduling
    • 傳輸方的能源消耗很重 (但這發生在基地台,相對手機端有很多能源可以用)
    • 不需要 Guard Band
    • 每個 Subcarrier 可以用 Time Division 方式分配
    • 兩方需要很精準的對時
    • 和 OFDM 的比較
      • OFDM 分配給每個 User 固定的 Subcarrier (不隨時間改變)
      • OFDMA 在每個 Timeslot 都可以調整每個 User 使用的 Subcarrier
        • 有些 User 在某些時段可能會沒有分到 Subcarrier
  • SC-FDMA (Single-Carrier FDMA)
    • LTE Uplink
    • SC-FDMA 使用一整個頻段,用 Time Division 方式分配
    • 省電
    • 也使用多個載波,讓上下行都在一定程度上使用類似的技術
  • Precoding
    • 把資料流映射到多根天線
    • 傳送端的多根天線都包含多個資料流
    • 接收端的每一根天線都接收所有資料
  • SNR
    • Signal Noise Rate
    • 訊號和雜訊的比例,越高代表訊號品質越好
  • QPSK - Quadrature Phase Shift Keying
    • 在一個 Symbol 內攜帶更多的訊息
    • 用 Signal Wave 的 Phase 編碼
    • 需要精準的同步(不然 Phase 會跑掉)
    • QAM - Quadrature Amplitude Modulation
      • Symbol 的豐富程度
      • 16 QAM 代表一個 Symbol 內可攜帶 4 個 bit
      • 64 QAM 代表一個 Symbol 內可攜帶 6 個 bit
      • 2 QAM 為 BPSK (Binary),一個 Symbol 只能帶 1 個 bit,但抗噪能力是 PSK 系列中最強的

Physical Channels

  • Downlink
    • PBCH - Physical Broadcast Channel
    • PMCH - PHysical Muticast Channel
    • PDCCH - Physical Downlink Control Channel
    • PDSCH - Physical Downlink Shared Channel
      • 傳資料
    • PCFICH - Physical Control Format Indicator Channel
      • 定義每個 Subframe 中 PDCCH OFDMA Symbol 的數量
    • PHICH - Physical Hybrid ARQ Indication Channel
      • 傳送 HARQ ACK/NACK
  • Uplink
    • PRACH - Physical Random Access Channel
      • 想傳就傳的 Channel
      • Call Setup
      • UE 要傳上行資料前先用這個 Channel 取得資源
    • PUCCH - Physical Uplink Control Channel
      • Scheduling ACK/NACK
      • 用來排程上行的傳輸
    • PUSCH - Physical Uplink Shared Channel
      • 傳資料
  • 其他 Signals
    • P-SS - Primary Synchronization Signal
      • 第一同步訊號,(FDD)出現在每個 Subframe 的第 7 個 Symbol
      • 出現在中間頻率的 Subcarrier
    • S-SS - Secondary Synchronization Signal
      • 第二同步訊號,(FDD)出現在每個 Subframe 的第 6 個 Symbol
      • 出現在中間頻率的 Subcarrier
    • Reference Signal
      • 參考訊號,出現在每個 Subframe 的第 1, 5, 8, 12 個 Symbol
      • Downlink
        • 基地台固定發送的特定 Sequence,給 UE 偵測
      • Uplink
        • 基地台偵測 Uplink Channel 狀況

Transport Channels

  • PCH - Paging Channel
  • DL-SCH - Downlink Shared Channel

Logical Channels

Logical Channel

  • BCCH - Broadcast Control Channel
    • 頻率低,不需 Scheduling 的 Control Channel
  • CCCH - Common Control Channel
    • 需要 Scheduling 的 Control Channel

其他

  • Bearer - 載體
    • Bearer 是一個概念,一個 IP Packet Flow,介在 gateway 和 UE 之間
    • Default Bearer
      • 每個 UE 都有一個 Default Bearer,即使處理 Idle Mode
      • Non-GBR
      • UE 必須處於 EMM-REGISTERED State 才能使用 Default Bearer(確定為合法的使用者)
    • Dedicated Bearer
      • 為特定的需求而開的 Bearer
      • UE 不須處於 EMM-REGISTERED State
        • 因為 Default Bearer 一定會先建立,使用者的合法性可以確定
      • UE <---> P-GW
    • Traffic Flow Template - TFT
      • Flow 與 Bearer 的對應表
  • SRB - Signalling Radio Bearer
    • 用來轉送 NAS 訊息 (UE - MME)
    • SRB0
      • Downlink 同步完成後建立
      • 使用 CCCH (因為 DCCH 還沒建立)
      • 建立 SRB1
      • 也用來廣播 MIB
    • SRB1
      • Uplink 同步完成後建立
      • DCCH
      • 為 UE 做認證,兩邊開始加密
      • 也用來傳送非 NAS 訊息
    • SRB2
      • UE 認證後建立
      • 用來傳送 NAS 訊息
  • Handover
    • LTE 不支援 soft handover
    • 因為 LTE 的不同 cell 需要在不同的頻率下工作
    • UE 在 handover 時也需要切換到不同的頻率,無法同時監聽
  • PLMN
    • Public Land Mobile Network
    • 指電信業者運行的網路
  • Area
    • MME Pool Service Area
      • 由 Tracking Area 組成
      • 每個 MME Pool Service Area 中可以有多個 MME
      • UE 在同一個 MME Pool Service Area 中移動不需切換 MME
      • 每台 eNodeB 都對應一個 MME Pool Service Area
        • eNodeB 會對 MME Pool Service Area 中的每台 MME 都建立 S1-MME 介面
      • MME Pool Service Area 可以重疊,eg: 可以有 MME 同時屬於多個 MME Pool Service Area
      • 如果一個 MME Pool Service Area 的 Loading 越來越重,Operator 可以增加 MME 進入 MME Pool Service Area
    • S-GW Pool Service Area
      • 由 Tracking Area 組成
      • 每個 S-GW Pool Service Area 中可以有多個 S-GW
      • 和 MME Pool Service Area 的概念一樣
      • S-GW Pool Service Area 和 MME Pool Service Area 無關,可以部份重疊
    • Tracking Area
      • 由連續的 Cell 組成
      • 一次 Paging 的單位就是一個 Tracking Area
      • Tracking Area 組成 S-GW 和 MME Pool Service Area
      • 由 Cell 組成,一台基地台的每個 Cell 可以分屬不同的 Tracking Area
      • 一般而言 Tracking Area 之間不會重疊
      • 大小
        • 若一個地區的 UE 數量很多,Tracking Area 應縮小,避免 Paging Overhead 太高
        • 若一個地區的 UE 移動速度很快,Tracking Area 應放大,避免 Tracking Area Update 太頻繁
      • 一個 UE 可以同時註冊進多個 Tracking Area,做為上述兩個問題同時發生時的解決方式
      • Tracking Area Update
        • Normal TAU: UE 發現目前的 eNodeB 已經不在它的 Tracking Area List 內,發出 TAU
        • Periodic TAU: 定時(由 Time T3412 計時)發送 TAU,告訴 MME
        • 若 UE 實際上已經更換了 MME
          • 該 TAU 會被 Reject
          • UE 再發送第二次 TAU
          • 新的 MME 向舊的 MME 要資料 - Fast Authentication(不向 HSS 重新認證)
            • TAU 裡面有 MME ID,新的 MME 會知道該 UE 原本歸哪個 MME 管
          • 建立新的 Bearer Path
          • 更新 HSS
          • 刪掉舊的 Bearer Path
          • 回應 UE TA Update Accept
  • 各種 Cell
    • Macrocell: 大型基地台,覆蓋半徑可達 100 km
    • Smallcell: 小型基地台,範圍約 10 公尺到 2 公里
    • Picocell: 小型基地台,範圍約 200 公尺,用於室內,可以想成電信業者管理、透過專線連接的小型基地台
    • Femtocell: 小型基地台,範圍約 10 公尺,原用於室內,有 SON 功能,可以想成是 WiFi AP,被 Picocell 取代
    • Microcell: 就是 Smallcell
    • Metrocell: 就是 Microcell
  • Femtocell {{{
    • 家庭基站,類似 WiFi AP,以室內為主,連接公眾網路,後來被 Picocell 取代
    • 出現的原因
      • 有超過 50% 的 Voice Call、70% 的流量其實是來自室內
      • 但室內常常收不到基地台的訊號
      • "那就放一個在室內吧,Backhaul 就接 ADSL 之類的" -> Home eNodeB
      • "還可以放在公眾區域!" -> Metrocell
        • 最後 Metrocell 沒有發展起來,因為其實用普通基地台就可以了,沒有必要特別去發展這個
    • 低功耗低成本 (相對大的基地台而言)
    • 和 eNodeB 之間沒有 X2 介面,故換手的成本較高
    • HeNB 會先連接 Home eNodeB Gateway,然後才接上 MME/S-GW
      • HeNB Gateway 負責加密
    • Inbound Handover - 從 Macrocell Handover 到 Femtocell
    • Outbound Handover - 從 Femtocell Handover 到 Macrocell
    • 每個 Femtocell 被切分成許多小地區,可以根據不同區域做不同的參數調整
    • 在另一個 Cell 的訊號強度比當前的 Cell 高出 HOM,持續 TTT (Time-To-Trigger) 時間以後,才啟動 Handover 機制
      • 避免 Ping-Pong 效應
    • Femtocell 發展遇到的困難
      • 扁平化的架構被稍微破壞
      • Dead Zone Problem
        • 室外的 UE 和室內的 Femtocell 可能會互相干擾
        • 用 SON 解決:Femtocell 自己根據狀況調整
      • Synchronization
        • 若兩座基地台之間沒有良好的同步,UE 可能會換手失敗,或是嚴重延遲
      • 因為 Backhaul 是外接,QoS 變得困難
      • 家用裝置必須是 Plug-and-Play 的裝置:要有 SON 功能
  • Smallcell {{{
    • 定位
      • Macrocell 負責覆蓋率,使用低的頻率(700 / 800MHz)
      • Smallcell 負責分流,使用較高的頻率(2GHz)
        • 手機得克服「不能同時使用兩個 band」的限制
    • 取代 Femtocell,成為小型基地台發展的方向
    • 和 Femtocell 的差異
      • Femtocell 使用公眾網路,需要特別的加密機制
    • 遇到的困難
      • 大小基地台不易辨認,快速移動的 UE 應該要連上大基站,慢速移動 UE 應該要連小基站
        • 目前朝向「大基站指揮 UE 連向小基站」為主
      • Backhaul 怎麼接?
      • 架設點怎麼找?(租金問題)
        • 路燈桿
        • 房子上
  • RRM - Radio Resource Management

    • 負責 Radio Resource 相關的所有功能
      • Radio Bearer 管理
      • Scheduling of Radio Resources
      • Dynamic Allocation of Resources
      • Transmission Power Management
      • Mobility Management
    • eNodeB 的核心功能
    • 有時會要求 UE 做 Buffer Status Report
    • 處理 Proportional Fair
      • 有些 UE 可能會待在 Channel Quality 比較差的地方
      • 若用 Round Robin 配給 UE 資源,對這些 UE 不公平
      • 若把資源分給 Channel Quality 最好的 UE,也不公平
      • 解:把資源分給「Channel Quality 相對最好」的 UE
        • 大家都能在 Channel Quality 比較好的時候傳資料
  • RRC - Radio Resource Control

    • 廣播系統訊息、Paging
    • 管理 UE 和 E-UTRAN 之間的連線 + 管理 UE 和 E-UTRAN 之間的 Temporary ID
    • Inter eNodeB / Inter-RAT 的 Handover
    • RRC 可以直接取得物理層的資料,不需要經過中間的轉送
    • RRC Connection 的用途
      • UE Registration/Deregistration
      • Traffic Data Transpotation
      • Location Registration
    • 一個 RRC Connection 包含
      • Radio Resource Configuration (Resource Blocks, MAC/PHY Configuration)
      • AS Security Context
      • Measurement Configuration
      • UE Radio Capability
  • PDCP - Packet Data Convergence Protocol

    • 傳送 User Plane Data
    • 傳送 Control Plane Data
    • 上行/下行都可用
    • Header Compression
    • Ciphering
    • Integrity Protection: 防止封包被插入、置換
    • 換手的支援 + 為 Handover 發生層以上的 PDU 封包重排序 + 為 RLC Acknowledged Mode 的 User Plane Data 提供 Lossless Handover
    • PDCP SDU 最大可以傳 8188 byte
  • RLC - Radio Layer Control

    • 負責偵錯、重傳
    • 根據 MAC 層的指示切割/連接 SDU
    • 重排、偵測重複、重組
    • Acknowledged Mode (AM)
    • Unacknowledged Mode (UM)
    • Transparent Mode (TM)
  • MAC - Medium Access Control Layer

    • 在 Logical Channel 和 Transport Channel 之間做對應、Scheduling
      • Scheduling 發生在多個 User 分配到同一個 PRB 的時候
      • Scheduling 的單位是 UE,而不是 UE 內的 RLC Buffer
      • 只有 Shared Channel 需要被排程
      • eNodeB 用 C-RNTI 通知 UE 可以傳資料
    • Uplink 被 Buffer 住的資料量會回報給 eNodeB (Buffer Status Report)
    • 根據 UE 回報的 Channel Condition 決定 Coding Scheme,並指揮 RLC 層
  • Inter-Symbol Interference (ISI)

    • 前一個傳出去的 Symbol,撞到障礙物,在下一個 Symbol 傳送時才彈回來,造成干擾
  • TDD LTE 就算有 Guard Band,在 150 MHz 之內還是會干擾

  • Handover 和 Mobility 是不同的

    • Handover 需維持連線
    • Mobility 只需要回報位置 (手機可以進 Idle Mode)
  • Category

    • LTE 把 UE 分類,目前有 Category 1 ~ 8,代表 UE 的等級

      Category

      downlink

      天線數

      uplink

      1

      1

      10.3

      5.2

      2

      2

      51.0

      25.5

      3

      3

      102.0

      51.0

      4

      3

      150.8

      51.0

      5

      4

      299.6

      75.4

      6

      2/4

      301.5

      51.0

      7

      2/4

      301.5

      102.0

      8

      8

      2998.6

      1497.8

  • PDU / SDU

    • 上層傳下來/傳給下層的資料稱為 SDU
    • 傳給下層/上層傳上來的資料稱為 PDU
  • 台灣現存的電信網路

    • 2.5G: GPRS (頻段已被 LTE 取代)
    • 3G: WCDMA
    • 3.5G: HSPA / HSPA+
    • 4G: LTE / LTE-A
  • NAS - Non Access Stratum

    • MME 和 UE 之間使用 NAS 溝通,透過 eNodeB 轉送資料
    • Incoming Call 的訊息是由 MME 發起,透過 NAS 送給 UE 的
    • 控制 UE 的 Mobility
  • RRU - Remote Radio Unit

    • 就是 Cell
  • HARQ - Hybrid Automatic Repeat reQuest

    • LTE 物理層自動重送封包的機制
    • 只在 DL-SCH 和 UL-SCH 使用
    • 在 MAC 層有 8 個 Process 平行處理,以免來不及 Decode
    • HARQ Incremental Redundancy Algorithm
      • 送出資料後,若收到 NAK,表示接收端 Decode 失敗
      • 再送出 Codec 的 Redundancy 部份,給接收端更多資訊做 Decode
    • Asynchronous Adaptive HARQ
      • 傳輸時的屬性(Codec 等)會改變,改變時需要溝通
    • Synchronous Non-adaptive HARQ
      • 傳輸時的屬性是預先設計好的,不能更改
    • LTE 的 Downlink 使用 Asynchronous Adaptive
    • LTE 的 Uplink 使用 Synchronous
      • 原因:控制權在 eNodeB 手上,能夠在參數改變時及時溝通,但 UE 端的改變是來不及溝通的,只能先設好參數
  • 重送

    • HARQ
      • 重送速率快
      • 錯誤率較高
      • 通道品質要求高
    • RLC AM
      • 比較慢
      • Error-Free
        • 不夠低的 Error Rate 會使 TCP 服務變得非常慢(一掉包就 Exponential 降速)
    • HARQ 和 RLC 的重傳可以同時啟動
    • 可以動態啟動(在 3G 的 HSPA 網路辦不到,因為功能分在不同的 Node)
  • QCI - QoS Class Identifier

    • QCI 5 的 Priority 最高,但卻是 Non-GBR,是因為 IMS signalling 不是連續傳送
  • State

    • UE 在 LTE 網路中帶有多種 State
    • EPS Mobility Management (EMM) State
      • EMM-DEREGISTERED
      • EMM-REGISTERED
      • 辨認 UE 是否為合法的使用者
        • Attach Request,Attach Accept
      • 辨認 UE 的 Tracking Area
        • Tracking Area Update (TAU) Request,TAU Accept
    • EPS Connection Management (ECM) State (也可稱為 ESM - EPS Session Management)
      • ECM-IDLE
        • UE 和 MME 之間沒有 NAS Signalling Connection
        • Mobility 用 Cell Selection/Reselection 方式處理
      • ECM-CONNECTED
        • UE 已建立 RRC Connection
        • UE 已建立 S1 Connection
        • UE 可以和 MME 溝通
        • Mobility 用 Handover 方式處理
        • UE 只在 eNodeB 通知時才會發出 Tracking Area Update
          • 可能是換 MME 時會觸發,舊的 MME 叫 新的 MME 去要求 UE 做 Tracking Area Update
      • 使用情境
        • eNodeB 發起:UE 長時間沒有活動、RRC Signaling Integrity Check Failure
        • MME 發起:Authenticaiton Failure、Detach Procedure
    • RRC State
      • RRC-IDLE
      • RRC-CONNECTED
  • SIB - System Information Block

    • UE 中記錄的系統資訊最長有效時間為 3 個小時
    • 系統訊息更新的週期:ModificationPeriod,是 Paging Cycle 的整數倍
      • 每達到這個週期,UE 就會醒來,連上 eNodeB,取得 MIB 和 SIB1,再取得其他 SIB 的訊息
    • The Master Information Block (MIB)
      • 包含最常被傳輸的訊息,對於 UE 加入網路是必需的
      • 包含物理層的資訊
      • 每個 Subframe #0 都有
      • 每 40ms 更新一次
      • BCH / PBCH
    • System Information Block Type 1 (SIB1)
      • 用來判斷一個 Cell 是否適合某個 UE
      • 在每個偶數 Frame 之中的 Subframe #5 出現
      • 每 80ms 更新一次
      • DL-SCH / PDCCH
      • 由 SI-RNTI 值提示 SIB1 的位置
      • SIB1 裡面有一個 Value Tag,表明系統資訊有沒有更新
      • SIB1 中的 schedulingInformation 記錄其他 SIB 的位置
        • si-WindowLength
        • 這些 SIB 被分成 SI 1 ~ 3 三組,每一組裡面都帶有各自的週期 (8, 16, 32, 64)
        • 範例
          • SI 1: { 8, SIB2, SIB3, SIB4 }
          • SI 2: { 16, SIB5 }
          • SI 3: { 32, SIB6, SIB7, SIB8 }
          • si-WindowLength = 20ms
          • SIB5 的 n = 2,si-Periodicty = 16
          • 先計算 x = (n - 1) * si-WindowLength = (2 - 1) * 20 = 20
          • SIB5 會出現的 Frame 為 SFN mod si-Periodicty = Floor(x / 10) 的 Frame
            • SFN mod 16 = 2
            • 從 Frame #2 開始,週期為 16 個 Frame
          • SIB5 會出現的 Subframe 為 x mod 10 = 20 mod 10 = 0
  • DRX - Discontinued Reception
    • 讓手機可以在沒有封包的時候進入睡眠模式
    • 分成: Connected DRX / Paging DRX / Extended DRX
    • Connected DRX
      • 在不同狀態有不同計時器
        • Power Active Mode
          • t_{I}: Inactivity Period
          • UE 閒置超過 t_{I} 時,進入 Power Saving Mode
        • Power Saving Mode
          • t_{D}: DRX Cycle
          • t_{S}: Sleep Period
          • UE 每 t_{D} 醒來一次聽訊息(醒來的時間長度為 τ)
      • eNodeB 會記錄每個 UE 的 DRX Cycle,並在 DRX Cycle 結束時發一個 Paging 給 UE
        • 相同 Cycle 的 UE 會一起被 Paging
    • Paging DRX
    • Extended DRX
  • 3GPP
    • 3^{rd} Generation Partnership Project
  • C-RAN - Cloud Radio Access Network
    • 把天線拉出基地台,天線可以放在不同的位置,不一定要在基站上
    • 未來天線可能會植入窗戶裡面、牆壁裡面
  • UPCON
    • 讓核心網路可以判斷應用服務的種類
  • Offload & Traffic Breakout
    • Offload - User Plane 資料完全不經過基地台
    • Traffic Breakout - User Plane 資料會經過基地台,但是在進入核心網路前就經由其他 link 進入 Internet
    • Control Plane 的訊息還是會進入核心網路
    • LIPA - Local IP Access
      • 若發送端和接收端都在同一個區域網路內,流量可以在透過 HeNB 轉送
        • UE -> HeNB(內建一個 LIPA Gateway) -> UE
        • 這樣當然就沒辦法按流量計費了,就改成 買斷 / 月租 / 企業方案 之類的
        • LIPA Gateway 有點像是 P-GW,也會 Assign 一個 IP Address 給 UE
    • SIPTO - Selected IP Traffic Offload
      • Femtocell / HeNB 出去的流量預設有 Tunnel 包裝,通往核心網路
      • 不丟進 Tunnel 的流量就會跑到 Internet 上,不進入核心網路
  • LTE 的 MTC - Machine Type Communications
    • 從 LTE Release10 開始制定
    • 只有 Mobile Originated 資料
    • MTC 資料的特徵對 LTE 而言很麻煩
      • 問題
        • Infrequent Transmission(不適合一直維持著連線)
        • Small data Transmission(建立連線所需要的訊號遠大於真正的資料)
        • Priority Alarm Message(某些重要 Device 的資料不能等,一定要馬上傳)
        • Huge Volume Device(Device 數量超多)
      • 相關議題
        • Signalling Reduction
        • Addressing
        • Identifiers
        • Subscription Control
        • Security
        • Grouping
          • 把 Device 包成一群一群,只選一些做為代表和 eNodeB 連線
          • 沒有連線的 Device 和代表用其他協定連線
    • Device 可以接收傳統簡訊和 IMS 的簡訊
      • 跟著 Paging 訊息一起傳
  • RAN Sharing
    • 讓一個小型基站給多個營運商使用
  • Moving Network
    • 高鐵上的 UE → 高鐵上的 Smallcell → 鐵軌旁的基地台 → Wireless 回程網路
  • Initial Access
    1. UE 搜尋 Cell
    2. UE 取得系統資訊
      • 透過 Primary Synchronization Signal 找到 Cell ID
      • 透過 Secondary Synchronization Signal 找到 Frame、Subframe 的位置
        • 取得 eNodeB 是使用 TDD / FDD
      • 透過 PBCH 取得 MIB
        • 取得物理層資訊
      • 透過 PDCCH 取得 SIB1
        • 取得其他 SIB 的週期
      • 透過 PDSCH 取得其他 SIB
        • 取得 PLMN ID,檢查這個 Cell 可不可以連,記錄下來做為以後 Reselection 的快取
        • 再回到 A. ,繼續尋找下一個 Cell,記錄約 6 個以後停止
    3. UE 用 Random Access 取得上行 Radio 資源,發出 Attach Request
    4. UE RX/TX
  • Cell Selection/Reselection
    • Suitable Cell
      • 一個 Suitable Cell 是 UE 最佳的選擇
      • PLMN 合適
      • 不在 Forbidden Tracking Area 內
      • 滿足 Selection 的條件(訊號很好)
      • 該 UE 在白名單內
    • Acceptable Cell
      • UE 可以連,但是只能撥緊急電話
      • 滿足 Selection 的條件(訊號夠好)
        • 條件比 Suitable Cell 鬆很多,只供緊急使用
    • ~/Documents/3gpp-lte/3GPP-Long-Term-Evolution技術概述-Class-5-r103.pdf P.48 有 State Diagram
  • Random Access Procedure
    • 在 Random Access 過程中,資源是用搶的
    • 「資源」被稱為 Preamble
    • 過程
      1. [UE] 透過 PRACH 送出 Random Access Preamble
        • 包含一個 5 bit Preamble ID
      2. [UE] 等待該 Preamble ID 的回應
        • 如果沒收到大概就是撞爛了,做 Random Backoff,和 WiFi 一樣
      3. [eNodeB] eNodeB 回應 Random Access Response
        • UE 的 Random ID
        • C-RNTI
        • Initial Uplink Resource Grant(告訴 UE 什麼時候可以透過 UL-SCH 傳資料)
      4. [UE] 確定取得 Uplink 資源,等到資源可用時,開始傳資料
  • UE Registration/Deregistration
    • Registration 有四個目的
      • 讓 UE/網路 互相確認對方是合法的
      • UE 取得 TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)
      • UE Location Registration(為了以後做 Paging)
      • 建立 Default Bearer
        • 分配 IP 給 UE
    • Deregistration
      • UE 離開網路,不再能接觸 EPS
      • Explicitly Detach
      • Implicitly Detach
        • UE 太久(三小時)沒有 Update,MME 直接踢掉不通知 UE
  • UE 的 ID
    • IMSI - International Mobile Subscriber Identity
      • MCC - Mobile Country Code
      • MNC - Mobile Network Code
      • MSIN - Mobile Subscriber Identification Number
    • GUTI - Globally Unique Temporary UE Identifier
      • 在合法註冊後 UE 拿到的 ID,在註冊期間不會改變
      • GUTI = GUMMEI + M-TMSI
    • GUMMEI - Globally Unique MME Identifier
      • GUMMEI = MCC + MNC + MME ID
      • MME ID = MME Group ID + MME Code
  • 5G
    • 萬物都連網,滿滿的資料
      • Big data
    • 速度將會是 4G 網路的 1000 倍
    • 每一代的特色
      • 2G: Voice
      • 2.5G: Low-speed data
      • 3G: High-speed Data
      • 4G: Video
      • B4G Intelligent networks,Service centric data,Heterogeneous Networks (HetNet)
    • 邊緣計算: 能在 Local 算完就算完,能在 Local 傳完就傳完,不要跟大家擠
      • Localized Shortcut IP Access
    • Small Cell as a Service
  • SaMOG
    • 讓 UE 可以透過非 3GPP 網路、穿過 P-GW 連往 Internet
    • 對 P-GW 來說,UE 只是換了一個 S-GW
    • SaMOG GW 模擬了 S-GW 的行為(?)
  • SON - Self Optimize/Organize Network