Allocation de ressources et scheduling

Dans cet article nous allons voir la signalisation émise par l’eNb pour informer l’UE de la taille du bloc de transport (TBS) alloué à l’UE pour transmettre ses données utiles (payload). La taille dépend de la qualité du lien radio (renseigné par l’UE via le CQI) et des ressources allouées par l’eNb à l’UE (scheduling).

Nous ne nous intéresserons pas ici à la procédure de scheduling mais uniquement à l’échange de signalisation pour informer l’UE de la taille et des ressources allouées pour transmettre ses données.

Allocation de ressources

La trame physique du LTE est partagée entre tous les utilisateurs, et nécessite la transmission de signalisation 4G sur des ressources blocs commun aux UES allouées au canal physique nommé  PDCCH* et l’échange de données sur des RB specifiques avec un format de modulation et de codage imposée par l’eNb et qui dépend des conditions radios.

Le mapping physique LTE (cf http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2013/08/27/rsrp-et-rsrq/) rappelle la répartition des ressources en temps et en fréquence entre utilisateurs et la disposition de RB spécifique pour la gestion des ressources.

L’UE doit donc attendre l’ordre spécifiant :

  • Le Time Slot sur lequel il va recevoir/émettre des données
  • Le RB (les blocs de fréquence) sur lequel il va recevoir/émettre des données
  • Le schéma de codage et de modulation (MCS) pour démoduler/moduler les données
  • La puissance d’émission

*Le canal PDCCH est le canal physique de contrôle dans le sens descendant qui porte les informations permettant à  l’UE de connaître les ressources qui lui sont allouées dans cette sous-trame (position des RB, format MCS) et des informations de contrôle permettant à l’UE de connaître les ressources et le schéma de modulation qu’il utilisera 4 TTI plus tard pour émettre ses données vers l’eNb.

Alloc_ressource_fig1

Figure 1 : Schéma général d’un échange d’information de contrôle

L’eNb doit donc transmettre de nombreuses informations vers chaque UE par un message nommé DCI  (Downlink Control Information). Le DCI est transmis soit à un groupe d’UE, soit spécifiquement à un UE afin de lui porter à connaissance l’attribution des ressources pour la transmission de ses données (payload). Dans ce cas, l’information portée par le PDCCH (et transmis en broadcast) est destiné à un seul UE. Pour savoir si le PDCCH lui est destiné, l’UE doit décoder le CRC avec ses identifiants RNTI (P-RNTI, C-RNTI, SPS-RNTI, RA-RNTI).  Toutefois, l’eNb doit aussi transmettre des informations systèmes destinées à plusieurs UE simultanément donnant ainsi des règles d’allocation suivant le mode de transmission de l’UE (la classe du terminal permet de définir ses capacités notamment sur la diversité de transmission, de réception et le MIMO). Dans ce cas, le CRC du PDCCH est codé avec la valeur du SI-RNTI.

Puisqu’un mobile ne peut deviner si un PDCCH lui est transmis, chaque UE qui n’est pas dans l’état discontinue (DRX) décode sur la sous-trame correspondante l’ensemble des CRC en fonction de ses identifiants RNTI. La taille allouée pour le PDCCH est néanmoins connue par le mobile sur un espace de recherche dit espace de recherche commun et son emplacement est toujours situé sur les premiers symboles OFDM. Quant à sa taille, elle est formée par l’agrégation de 1,2, 4 à 8 CCE sur lequel l’eNb transmettra respectivement 8 PDCCH, ou 4 ou 2 ou 1 (selon le format du PDCCH c’est  dire à la quantité d’information à transmettre). Sur l’espace de recherche commun, l’eNb transmet des informations système (SI-RNTI).

Lorsque le PDCCH est spécifique à un UE, on parle alors d’espace de recherche spécifique. L’emplacement de ce dernier est défini en fonction du RNTI de l’UE et du numéro de trame. Lorsque l’UE a reconnu un PDCCH spécifique, il répond en retour sur le PUCCH ou PUSCH. Il informe notamment  l’eNb de la qualité du lien radio via l’indication de la qualité du canal nommé CQI, ce qui permet à l’eNb d’adapter les paramètres de transmission à savoir :

  • L’efficacité du code correcteur.
  • Le type de modulation (QPSK, 16 QAM, 64 QAM).
  • Dans le cas du MIMO, les indicateurs RI et PMI.

Pour satisfaire aux différents besoins, il existe plusieurs formats DCI spécifiant le type d’information à transmettre (de taille par conséquent différent, ce qui revient à une allocation en terme de CCE différent) et décrites dans la norme 3GPP R8/R10 :

  • DCI Format 0 est utilisé pour informer l’UE de l’allocation des ressources sur la voie montante
  • DCI Format 1 est utilisé pour informer l’UE de l’allocation des ressources de la voie descendante lorsqu’il y a une diversité de transmission (MISO ou MIMO rank 1)
  • DCI format 2 est utilisé pour informer l’UE de l’allocation des ressources de la voie descendante pour le MIMO.
  • DCI format 3 est utilisé pour la transmission des commandes de contrôle de puissance (TPC commande) pour le canal de la voie montante.
  • DCI format 4 est utilisé pour informer l’UE de l’allocation des ressources sur la voie montante dans le cas MIMO

 

Pour un format donnée, les informations transmises dépendent du type de RNTI (P-RNTI, C-RNTI, RA-RNTI, …) et du mode de transmission. Ainsi , en se basant sur le mode de transmission,  la norme précise des sous-formats :

Alloc_ressource_tab1Tableau 1 : Format DCI et informations transmises

Nous avons précédemment dit que le PDCCH était décodé selon l’identifiant RNTI. Pour faire une synthèse, le tableau 2 reprend selon l’état du mobile (connecté, en veille)la liste les formats DCI correspondant en fonction du type d’identifiant :

Alloc_ressource_tab2Tableau 2 : Correspondances entre le type RNTI et les formats DCI compatibles

Entre la Release 8 et la Release 10, le 4ème format est apparu. Ce dernier est utilisé pour informer l’UE de l’allocation des ressources sur la voie montante en utilisant le multiplexage spatial, ce qui nécessite donc de transmettre davantage d’informations comparé au DCI format 0.

Alloc_ressource_tab3

Tableau 3 : Les différents formats selon la release

Mais, ce n’est pas la seule différence, car en effet, la R10 traite du LTE-Advanced laquelle autorise l’agrégation de plusieurs bandes de fréquences et par conséquent chaque format du R10 comporte un champ supplémentaire précisant la porteuse concernée.

Alloc_ressource_tab4

Tableau 4  : Les différents champs concernant les informations portées par le DCI selon la release pour le format 0

Alloc_ressource_tab5

Tableau 5  : Les différents champs concernant les informations portées par le DCI selon la release pour le format 2

 

 

Exemple

Alloc_ressource_fig2

Figure 2 : Exemple issu du site http://niviuk.free.fr/lte_dci_decoder.html

Le tableau donne des informations concernant la valeur hexadécimales du DCI. En remplaçant 2584A800 par 2585A800, la modulation est une 64QAM

(Cf Specification ETSI 3GPP TS 36.213 R8, Table 7.1.7.2, http://www.qtc.jp/3GPP/Specs/36213-920.pdf, la table TBS donne la taille 9144 à la ligne 22, colonne 18)

Alloc_ressource_fig3

Figure 3 : Exemple issu du site http://niviuk.free.fr/lte_dci_decoder.html

 

Comme dernier exemple, je vous propose de découvrir les informations contenues dans le PDCCH spécifiant le niveau de puissance

Alloc_ressource_fig4

 

Ref : http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/tag/pdcch/ pour calculer le nombre maximum d’UE pouvant simultanément échanger des données avec l’antenne et le nombre maximum d’UE pour la VoLTE

http://www.sharetechnote.com/html/DCI.html

http://nitintayal-lte-tutorials.blogspot.fr/2013/05/all-about-pdcch-and-cce-allocation.html

 

 

Quand le eNb sature t’il?

Les équipementiers qui vendent l’infrastructure 4G limitent les capacités des entités en soumettant leur solution à des licences. D’un autre coté, les licences garantissent aussi le traitement d’un nombre de sessions maximum en temps réel. A titre d’exemple, les eNB ont une capacité (en terme de licence) de 512 bearers, c’est à dire que l’eNb peut ouvrir 512 connexions (bearer) garantissant le maintien de 512 sessions avec les utilisateurs en mode actif.

A ce jour le nombre de bearers que l’eNB met en oeuvre sur certains site de Nantes et aux heures de pointe atteint ce chiffre. On parle alors de saturation de l’eNb, mais nous verrons dans cet article que le déploiement de la VoLTE peut aggraver cette limitation.

Nous allons calculer le nombre d’UE pouvant avoir des accès au cours d’un TTI (Transmission Time Interval correspond à une unité de temps de 1ms pour le LTE, c’est la plus petite unité de temps pendant laquelle un user peut recevoir ou émettre des données). Sous des hypothèses simplificatrices, nous allons calculer le nombre maximum d’utilisateur pouvant, au cours d’un TTI, transmettre ou recevoir des données. Mais, le nombre d’utilisateurs actifs peut être plus élevé puisque un user peut nécessiter des ressources à un TTI mais pas au(x) TTI(s) suivant(s).

Combien d’utilisateurs maximum sont actifs par TTI sur l’eNB ?

Nous allons nous intéresser dans cet article au nombre maximum d’UE pour lesquelles l’eNb alloue des données sur un TTI. Nous aborderons dans un premier la méthode de répartition des canaux de contrôles sur la bande LTE afin de calculer le nombre d’allocation possible.

1 – Structure de la trame.

1-a) PDCCH

Les données transmises entre l’eNb et l’UE sont séquencées de manière dynamique. L’UE est informé de l’allocation de PRB en réception et de l’attribution de PRB en émission via les informations portées par le canal PDCCH. Outre l’allocation de ressource, le PDCCH informe l’UE du type de modulation et du codage utilisés (MSC) et en cas de réception multiples (MIMO), le PDCCH transporte le type de précodage (PMI).

Ainsi, le PDCCH transporte des informations de contrôle :

  • sur la voie descendante permettant d’informer l’UE de l’existence de données à recevoir dans la trame courante et des caractéristiques de modulation
  • des informations sur les ressources que l’UE utilisera sur la voie montante pour la sous-trame émise par l’UE 4 TTI plus tard.

Il est à noter que plusieurs PDCCH peuvent être transmis dans une sous-trame, soit pour transmettre des données respectivement à plusieurs UE, soit pour un seul UE. En effet, plusieurs PDCCH peuvent être transmis à un seul UE dans le cas ou le nombre d’information est conséquent, comme par exemple pour informer l’UE de l’allocation dynamique et du schéma de codage sur la voie descendante et montante, ainsi que la commande de contrôle de puissance.

Afin de spécifier le type d’information transporté par le PDCCH, l’UE décode l’information portée par le DCI (Downlink Control Information) qui stipule le type d’information transmise par le PDCCH parmi  10 formats possibles. Les 10 formats sont récapitulés dans le tableau ci-dessous :

DCI

Les formats DCI 0, DCI 3 et DCI 3A portent des informations destinées à l’UE pour la transmission sur la voie montante. En effet le format DCI 0 alloue des PRB pour l’émission du mobile vers l’eNB, et les formats DCI3/DCI 3A portent de contrôle de puissance pour la voie montante.

Le PDCCH est transmis sur un CCE (control channel elements) ou sur plusieurs CCE (on parle d’aggrégation de CCE dont les valeurs sont 2, 4 ou 8 CCE). Un CCE est composé de 9 REG – Ressource Element Group, un REG étant constitué de 4 RE. Le PDCCH est modulé en QPSK.

PDCCH_format

1-b) PCFICH

De plus, le PDCCH est obligatoirement transmis sur les premiers symboles OFDM de chaque sous-trame (De 1 à 3 symboles voir 4 symboles au maximum si le nombre de RB est faible, ce qui correspond au cas où la bande est de 1.4 MHZ). Pour savoir sur combien de symboles est transmis le PDCCH, l’eNb transmet une information complémentaire nommée CFI (Control Format Indicator) dans le canal de control PCFICH. Le PCFICH est transmis quant à lui sur le premier symbole OFDM de chaque sous trame, réparti sur toute la bande pour profiter de la diversité en fréquence. Les 4 valeurs possibles de CFI sont encodées dans un mot de 32 bits avec une forte redondance pour assurer la détection/correction au niveau de l’UE.

PCFICH_Mot

De surcroît, le canal PCFICH est modulé en QPSK pour assurer une meilleure immunité au bruit. Le CFI étant codé sur 32 bits, 16 RE sont donc nécessaires, soit 4 REG. La position des REGs est définie en fonction de l’identité de la cellule (Cell Id), laquelle est une valeur comprise entre 1 et 504.

PCFICH_REG

1-c) PHICH

Outre le PCFICH, l’eNb transmet des informations d’acquittement (ACK/NACK) sur les trames émises par l’UE. Il s’agit du canal PHICH (HARQ), dans lequel 1 bit d’information (ACK/NACK) est répété 3 fois et étalé par un code de Walsh Hadamard (code orthogonal) et modulé en BPSK.

Ainsi, un ACK a pour valeur 111 et un NACK a pour valeur 000. Le PHICH est modulé en BPSK (signal complexe situé sur le cercle trigonométrique à +pi/4 ou 5*pi/4), il faut donc 3 symboles. Le signal modulé est ensuite étalé par un code d’étalement de facteur SF=4, permettant d’obtenir 32 combinaisons complexes et d’extraire 8 codes orthogonaux (4 codes et l’équivalent déphasé de pi/2). Grace aux 8 codes orthogonaux, il est possible de transmettre 8 PHICH simultanément.

Il est donc nécessaire de réserver 12 RE pour transmettre jusqu’à au plus 8 PHICH. On parle de groupe de PHICH, codé par des codes orthogonaux.

PHICH_Code_Orthogonaux

2 – Calcul du nombre de PDCCH.

Nous allons maintenant calculer le nombre de ressources PDCCH, permettant ainsi d’obtenir le nombre d’utilisateurs simultanés sur la bande totale de l’eNB.

Il s’agit donc de calculer le nombre de ressource disponible (RE) sur les premiers symboles (1 à 3) pouvant porter le canal PDCCH. L’objectif est donc de calculer le nombre de RE disponible sur tout la bande et retrancher les canaux PFCICH, PHICH et les signaux de références (RS).

Les signaux de références (RS) sont transmis par l’eNB à chaque RB et tous les 6 RE du premier symbole si l’eNb n’a qu’une seule antenne. Si l’eNb possède au moins deux antennes, les RS sont également transmis sur 6 RE du premier symbole pour la 2ème antenne. Le RS est nécessaire afin de mesurer la distorsion apportée par le canal de propagation et de ce fait, dans le cas ou l’eNb possède deux antennes, l’eNb ne transmet aucun signal sur le RE correspondant à la position du RS de l’autre antenne.

RS_antennes

On va donc considérer qu’il y a 2 ou 4 RS par PRB.

Nous pouvons maintenant calculer le nombre de ressources PDCCH.

Rappelons que selon la bande allouée au LTE qui s’étend de 1.4 MHz  minimum à 20 MHz, le nombre de PRB noté N_PRB est le suivant :

1,4 MHz =>  6 PRBs

3  MHz   =>  15 PRBs

5  MHz   =>  25 PRBs

10  MHz  => 50 PRBs

15  MHz  => 75 PRBs

20  MHz  => 100 PRBs

Chaque PRB est composé de 12 sous porteuses, le PDCCH est transporté sur N_pcfich symboles (canal PCFICH). Le nombre total de RE sur N_pcfich symbole est donc de :

12*N_PRB*N_pcfic

Nous allons maintenant calculer le nombre de RE à soustraire :

  • Info_PCFICH=16
  • Info HARQ. On sait qu’il est possible de transmettre un groupe de 8 ACK/NACK dans un seul PCICH. Par conséquent, sur N_PRB, le nombre de groupe de PCFICH sera de E[N_PRB/8], avec E la partie entière supérieure. Enfin, le groupe de PCICH nécessite 12 RE, donc le nombre de RE sera de 12* E[N_PRB/8].
  • RS pour une antenne : 2*N_PRB
  • RS pour deux antennes ou plus : 4*N_PRB

2 – Application et cas de la VoLTE.

2-a) Calcul sur 5 MHz, 10 MHz et 20 MHz

Nous allons faire une application pratique sur 10 MHz, puis à partir des tableaux, je fournirai les résultats sur 5 MHz et 20 MHz

10 MHz =>50  PRB soit 50 *12 RE =600 dans le premier symbole. Si le nombre de symbole utilisé par le PDCCH monte à 3, alors il y a aura 1800 RE pouvant transporter les PDCCH

On retire :

  • 16 RE pour le PCFICH
  • 12* E[50/8] = 12*7=84 RE pour le PCICH
  • 100 RE pour les RS si une antenne et 200 RE pour deux antennes

Soit un total de 200 RE ou 300 RE pour deux antennes.

Pour rappel,  le PDCCH nécessite au moins un CCE (mais peut nécessiter 2 CCE, 4CCE ou 8CCE). Un CCE est composé de 36 RE et le PDCCH est positionné sur N_pcfich symboles (canal PCFICH). Pour finir, étudions les 3 cas possibles

  1. N_pcfich=1 => 600 RE, moins 100 RE pour une antenne et 200 pour 2 antennes. Il reste donc 400 ou 300 RE. Dans le cas ou il y a 2 antennes, 300/36=8.33 soit 8 PDCCH donc 8 utilisateurs simultanés
  2. N_pcfich=2 => 1200 RE, moins 100 RE pour une antenne et 200 pour 2 antennes. Il reste donc 1000 ou 900 RE. Dans le cas ou il y a 2 antennes, 900/36=25 soit 25 utilisateurs simultanés
  3. N_pcfich=3 => 1800 RE, moins 100 RE pour une antenne et 200 pour 2 antennes. Il reste donc 1600 ou 1500 RE. Dans le cas ou il y a 2 antennes, 1500/36=41.66 soit 41 utilisateurs simultanés

Voilà une synthèse pour 3 bandes LTE différentes et deux antennes :

Nbre_PDCCH_5MHZ

Nbre_PDCCH_10MHZ

Nbre_PDCCH_20MHZ

NB : L’UE détecte le PDCCH en fonction de son identifiant RNTI – Radio Network Temporary Identifier :

  • P-RNTI si le mobile est en veille. Il écoute le canal PDCCH pour être informé d’un Paging
  • C-RNTI en mode connecté ou SPS-C-RNTI quand il reçoit des informations périodiquement (par exemple de la VoIP reçue toutes les 20 ms)

Le RNTI est codé sur 16 bits et réalise un ET logique avec le code CRC du canal PDCCH.

2-b) Impact de la VoLTE

Les eNb sont limités à 512 bearers actifs, quel sera l’impact de la VoLTE?

Nous supposons une bande de 10 MHz, si le PDCCH est codé sur 3 symboles (hypothèse de 2 antennes), le nombre maximum d’utilisateur sur une bande de 10 MHz est donc de 41 utilisateurs par TTI.

Or, la VoLTE nécessite la transmission d’information que tous les 20 TTI, donc en supposant que des utilisateurs en VoLTE, le nombre de sessions actives est de :

41 * 20 = 820 utilisateurs.

Par contre dans le cas ou la bande n’est que de 5 MHz, le nombre d’utilisateurs actifs sera limité à 400, en dessous du seuil des 512 licences.