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.

RSRP et RSRQ

En allant sur les forums 4G, je m’aperçois que plusieurs topics traitent du problème suivant : Pourquoi le RSRQ=-3dB au maximum?

Hypothèse : Si l’on suppose que seul le signal de référence est transmis dans les ressources blocks, et que l’on ne prend pas en compte ni les données (que les RS), ni le bruit, ni les interférences alors dans ce cas RSRQ=-3dB.

Les raisons évoquées dans les forums me paraissaient flous, comme par exemple les liens suivants

Je vous propose donc dans cet article de revenir sur ces notions RSRP, RSRQ et RSSI pour expliquer :

Pourquoi RSRQ=-3dB si l’on suppose que seul le signal de référence est transmis.

(Ce cours est un extrait des formations proposées sur la 4G, cf http://www.mooc-ipad-formation.eu/ ou http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/modules-de-formation/ ou contactez moi)

Mais avant cela, revenons sur les définitions et les fonctions du RSRP, RSRQ et RSSI. Nous en profiterons aussi pour revenir sur des notions similaires en 3G en lisant les articles suivants :

Avant d’aborder le problème, revenons une fois de plus sur les définitions :

3GPP TS 36.214  V9.2.0

Le RSRP est lié à la puissance mesurée sur un RE dans lequel le RS est transmis, il est donc nécessaire de revenir sur le mapping physique d’une trame LTE

Un RB est composé de 84 RE (7 symboles, 12 sous-porteuses), il y a 4 RS et dans l’exemple traité (pas de données), 80 RE qui ne transportent aucune information.

Mais, Le RSRP mesure la puissance transportée par le signal de référence dans un RE, le RSSI quant à lui mesure sur la bande totale, sur N RB.

D’après le mapping, seuls les symboles 0 et 4 de chaque slot transmettent des RS et sur chaque symbole, il y a 2 sous porteuses qui transportent de l’information.

Ainsi, le calcul étant mené sur un symbole transportant de l’information, la puissance transportée par RB est égale à 2 fois la puissance RSRP = 2*RSRP (on ne fait la mesure que sur les symboles 0 ou symboles 4).

Si le signal est sur N RB, dans ce cas, RSSI=N*2*RSRP

Le RSRQ est égale à N*RSRP/RSSI vaut donc ½ soit -3dB

 

Hypothèse 2 : Si maintenant on suppose que des Données sont transmises sur chaque sous porteuses, dans un RB ou un RS est transmis, il y a 10 RE pour la donnée et 2 RE portant le RS. Chaque RE portant la même puissance (égale à RSRP), la puissance transportée par RB est donc égale à 12 RSRP.

Donc si l’on suppose que les données sont transmises avec la même puissance, le RSRQ vaut 1/12 soit RSRQ=-10,79 dB

 

RSRP et RSRQ 2ème : Définition

Pour faire suite aux mesures présentés dans l’article précédent, nous allons maintenant détailler les notions.

J’invite le lecteur à revenir éventuellement sur un précédent article présentant une partie de la couche physique : http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2011/09/25/15mhz20mhzdebandes-quellessontlesconsequences/

I) Reference signal Receive Power (RSRP):

RSRP est la mesure la plus basique réalisée par la couche physique du l’UE, permettant d’obtenir une valeur moyenne de la puissance reçue du signal de référence (RS) émise par la station de base par RE (Resource Element). La mesure s’exprime en Watt ou en dBm. La valeur est comprise entre -140 dBm à -44 dBm par pas de 1dB.

Puisque le signal de référence RS n’est émis qu’à un instant donné sur une seule bande de fréquence, la mesure n’est réalisée que dans cette bande de fréquence (correspondant à un RE : Ressource Element). Sur la figure ci-dessous, on présente la position des signaux de référence dans un RB (transmis sur les symboles 1 et 5 sur cette figure ou sur les symboles 0 et 4 selon la numérotation du premier symbole)

De par la sélectivité en fréquence du canal de propagation, la valeur du RSRP n’est pas identique d’un RE à l’autre, cependant afin d’optimiser la bande de fréquence pour les communications, il n’est pas prévu de réaliser des mesures de RS sur toutes les ressources symboles mêmes si des mesures précises doivent être réalisées pour estimer au mieux la qualité du lien radio. On note ici la différence principale entre le RSRP et le RSSI (Reference Signal Strength Indicator) lequel est une mesure de puissance sur toute la bande de fréquence, et pas seulement sur un RE comme c’est le cas pour le RSRP.

A partir des mesures effectuées par l’UE, il est possible de récupérer le RSRP de la cellule principale et des cellules voisines, mesures effectuées sur la même fréquence ou deux fréquences différentes (même RE sur une ou plusieurs antennes dans la cadre du MIMO).

On distingue deux types d’exigences sur la précision de la mesure, la précision absolue du RSRP et la précision relative RSRP.

  • La précision absolue du RSRP consiste à comparer le RSRP mesurée dans une cellule par rapport au RSRP mesuré par la cellule principale (serving cell).
  • La précision relative du RSRP consiste à comparer le RSRP mesurée dans une cellule par rapport au RSRP mesuré dans une autre cellule autrement dit entre deux cellules qui ne sont pas définie comme la cellule de référence (serving cell). Il est ensuite possible de différencier la précision relative et absolue intra-fréquentielle et inter-fréquentielle. Intra-fréquentielle signifie que les mesures sont réalisées sur la même fréquence, et inter-fréquentielle pour traduire l’idée que la mesure entre les 2 RSRP est effectuée sur 2 bandes de fréquences différentes.

La connaissance du RSRP absolu permet à l’UE de connaitre la fiabilité de la cellule à partir de laquelle on estime l’atténuation apporté par le canal, ce qui conditionne la puissance optimale de fonctionnement du mobile pour interagir avec la station de base.

Le RSRP est utilisé à la fois en mode de veille qu’en cours de communication. Le RSRP relatif est utilisé comme un paramètre de choix dans le cas de scénarios multi-cellules.

Le RSRP est donc utilisé soit à des fins de Handovers dans le cas d’une communication, soit à la définition de la cellule de référence. Cependant, dans le cas du Handover, il est préférable de s’appuyer sur le RSRQ qui est un indicateur de qualité de la communication.

Le RSRP est un indicateur de l’atténuation subit dans le canal, bien que différent de la puissance totale reçue (puissance du signal transmis et du bruit), cet indicateur peut être comparé à l’indicateur CPICH RSCP (Received Signal Code Power)  effectuée dans le cadre du WCDMA (3G) pour sélectionner le choix de transmission (3G ou 4G). Le RSCP est la mesure de puissance d’un canal pilote WCDMA (CPICH : Common Pilot Indicator Channel) sur une bande de 5 MHZ. Cela prend en compte le signal reçu dans sa globalité, c’est-à-dire avec le bruit et les interférences.  La comparaison entre le RSRP et le RSCP permet de choisir la techno en cas de changement de RAT ainsi que pour le Handover.

Différence entre le RSRP et le RSCP?

Afin de bien différencier les sigles, je vous propose de re-définir chacun d’entre eux :

RSCP : Received Signal Code Power (UMTS) représente le niveau de la puissance reçue de la fréquence pilote d’une station de base (Nœud B ou nB). Dans le cadre de la 3G, le multiplexage est réalisé par code, plusieurs nB peuvent transmettre sur la même fréquence, avec des codes spécifiques. Le RSCP permet de calculer le niveau de puissance d’une station de base, c’est-à-dire après démultiplexage du code.

RSRP : Reference Signal Receive Power (LTE) représente la puissance reçue sur un RB en provenance d’une cellule (les séquences de CRS sont différentes d’une cellule à l’autre grâce aux propriétés d’intercorrélation et d’autocorrélation des séquences de Zadoff-Chu),

Pour simplifier, le RSRP est la mesure équivalente au RSCP pour la 3G, c’est deux notions sont donc identiques dans la fonction, mais s’applique à deux technos différentes.

RSSI : Puissance du signal sur la bande de 5 MHz, il s’agit donc de la puissance mesurée en provenance de toutes les stations de base.

II) Reference Signal Receive Quality (RSRQ):

Bien que le RSRP soit une mesure importante, il ne donne aucune information sur la quatité de la transmission. Le LTE s’appuie alors sur l’indicateur RSRQ, défini comme le rapport entre le RSRP et le RSSI (Received Signal Strength Indicator). Le RSSI représente la puissance totale du signal reçu, cela englobe le signal transmis, le bruit et les interférences.

RSRQ=10*log(N*RSRP/RSSI)

N étant le nombre de ressource block.

Mesurer le RSRQ est intéressant particulièrement aux limites des cellules, positions pour lequelles des décisions doivent être prises pour accomplir des Handovers et changer de cellule de références. Le RSRQ mesuré varie entre -19,5dB à -3dB par pas de 0.5dB.

Le RSRQ n’est utile uniquement lors des communications, c’est-à-dire lors de l’état connecté. La précision absolue (Intra- et inter-frequentiel) varie de ±2.5 à  ±4 dB.

Le RSRQ pour la 4G peut être comparé à l’indicateur CPICH Ec/No réalisé en 3G

EcNo (3G) : Ec est l’énergie reçue par chip (terme réservé à la 3G) du canal pilote divisé par le bruit total. Cela revient à estimer une image du rapport Signal Sur Bruit, lequel conditionne (Cf. Shannon) la capacité du canal, autrement dit le débit maximum de transmission sans erreur. EcNo est donc égal au RSCP (3G) divisé par le RSSI (bruit total). La meilleure valeur de EcNo correspond à la marge de puissance entre le signal reçue et le bruit sur le signal pilote (et uniquement sur le signal pilote). C’est pour cette raison que la valeur est indicative du rapport signal à bruit pour la transmission de données mais n’est pas la valeur du rapport Signal à Bruit (SNR) de la transmission des informations.

L’indicateur RSRQ fournit des informations supplémentaires quand le RSRP n’est pas suffisant pour faire le choix d’un handover ou d’une re-sélection de cellules.

RSRP et RSRQ 1ère partie : Mesure de la qualité du signal radio et de la puissance reçue réalisée au niveau de la couche Physique.

Le mobile (User Equipment ou UE) et la station de base (eNB) effectuent périodiquement des mesures radios pour connaître la qualité du lien radio (canal de propagation). Toutes les caractéristiques sont indiquées dans le document 3GPP TS 36.214, et nous tentons ici d’extraire des informations sur l’utilité des mesures et les conditions de mesures.

La station de base émet des signaux de références (RS – Reference Signal) permettant d’estimer la qualité du lien du canal radio. Un signal de référence (RS) est un signal émis par l’émetteur et connu par le récepteur, ce signal ne transmet aucune information. Cependant, le récepteur compare la séquence reçue à la séquence émise (donc en clair la séquence que le récepteur aurait dû recevoir dans l’idéal) et à partir de la différence entre les deux, le récepteur estime la déformation apportée par le canal de transmission (multi-trajets, effets de masque, atténuation, interférences, …).

Cette séquence connue est émise sur toute la cellule, il s’agit d’un signal broadcasté spécifique par cellule.  Par conséquent il doit être émis avec une puissance suffisante pour couvrir la cellule et avoir des propriétés particulières (puissance constante par exemple, autocorrélation nulle, faible intercorrélation) pour différencier le signal reçu d’une cellule à une autre. Dans le cadre du LTE, les séquences utilisées sont des séquences de Zadoff-Chu transmise sur une modulation QPSK. Le motif est identique à chaque sous trame, à un décalage en fréquence près entre les cellules de manière à limiter l’interférence et améliorer ainsi la réception du RS. La puissance du CRS peut aussi être augmenté en cas de fort trafic (et donc d’interférence) par rapport à la puissance des données via le Power Boosting pour la voie descendante.

L’UE quant à lui envoie un signal de référence de sonde, nommé SRS permettant à l’eNB de déterminer la qualité du canal montant et de maintenir la synchronisation

Les mesures effectuées (signaux de références aussi appelés pilotes– CRS – Cell Reference signal indiquant que le signal de référence est spécifique à la cellule) sont relayées aux couches supérieures afin de planifier des Handovers (Intra-inter cellules et inter RAT c’est-à-dire d’autres technologies comme la 3G, le Wi-FI, …).

L’UE se sert des mesures des signaux de références afin d’estimer (indicateur) le niveau du signal reçu (RSRP) permettant ainsi, en mode de veille, de sélectionner la meilleure cellule. La mesure impacte donc la gestion de la mobilité de l’UE (RRM : Radio Ressource Management)

Pour être plus pragmatique, je vous propose de d’expliciter l’image suivante en définissant les informations lues sur le mobile suivant :