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SDT – Small Data Transmission (3ème)

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Procédure d’accès aléatoire EDT/RA-SDT

La spécification R.15 propose une évolution de la procédure d’accès aléatoire nommée EDT Early Data Transmission. En cours de procédure d’accès aléatoire, le mobile UE peut transmettre des données dans le message 3 dont la taille est comprise entre 328 et 1000 bits et le message 4 est utilisé pour la transmission descendante [4]. La taille TBS (Transport Block Size) est toutefois imposée par l’accès radioélectrique RAN dans un message 2 RAR.

La transmission des données s’effectuant pendant la phase d’accès aléatoire, le mobile est soit à l’état RRC_IDLE soit à l’état RRC_INACTIVE, mais il n’est pas encore passé à l’état RRC_CONNECTED.

Deux optimisations pour la transmission EDT sont proposées :

  • CP-EDT : Control Plane EDT lorsque le mobile est à l’état RRC_IDLE
  • UP-EDT : User Plane EDT lorsque le mobile est à l’état RRC_CONNECTED

Cela signifie d’une part que les clés de sécurités sont différentes sur le chiffrement des messages (et sur l’authentification uniquement pour le mode CP) et que le tunnel est établi via un message NAS (eNB vers MME dans le cas CP-EDT) alors que les données sont transmises vers le SGW dans le cas de la transmission UP-EDT pour transmettre des données après la procédure d’accès aléatoire (mode connecté).

La procédure MO-EDT (Mobile Originating EDT) permet au mobile UE de transmettre des données lorsque la couche haute demande l’établissement d’une connexion RRC ou l’activation de la connexion RRC (resume) pour la transmission de données (MO Data). La cause de l’établissement n’est ni un SMS, ni de la signalisation mais la transmission de données.

Pour activer la transmission EDT, le mobile UE doit informer la station de base qu’il transmettra au cours du message 3 de la procédure RACH des paquets de données. Si la station de base supporte la transmission EDT, elle propose aux terminaux UE des séquences PRACH particulières (ou NPRACH pour le NB-IoT) en diffusant cette information dans le SIB2. Le terminal choisira une séquence PRACH pour constituer le message 1.

Dans le message 3 de la procédure RACH :

  • Si le terminal est à l’état RRC_IDLE, la transmission CP-EDT est mise en oeuvre et le terminal transmet la requête RRCEarlyData Request avec le message NAS encapsulé (S-TMSI, establishmentCause, dedicatedInfoNAS);
  • Si le terminal est à l’état RRC_INACTIVE, la transmission UP-EDT est mise en oeuvre et le terminal transmet la requête RRCResumeRequest

Le message EDT est transmis en clair sur l’interface radio si le mobile était à l’état RRC_IDLE ou chiffré en utilisant le contexte de sécurité AS si le mobile était à l’état RRC_INACTIVE. Le message NAS est quant à lui chiffré selon les clés de sécurités NAS connues au niveau du mobile UE et du cœur de réseau (MME/AMF).

Figure 8 : Protocole de transmission CP-EDT

Figure 9 : Protocole de transmission UP-EDT

Procédure de transmission pré-configurée PUR (Preconfigured Uplink resource)

La spécification 3GPP R.16 PUR [5,6] propose de réduire davantage la signalisation par rapport à la procédure EDT en supprimant les messages 1 et 2 de la procédure d’accès aléatoire.

Le mobile dispose ainsi d’une pré-configuration lorsqu’il est à l’état CONNECTE lui permettant de connaître :

  • Les spécifications de ressources (UL-Grant) ;
  • Le schéma de modulation et de codage MCS ;
  • Le nombre de répétition PUSCH ;
  • L’identifiant radio RNTI à utiliser : PUR C-RNTI

La configuration du mobile par un message RRC est déclenché soit par le mobile avec une requête PUR Configuration Request ou par l’eNB ou le réseau à travers un message RRC.

Dans le cas d’étude qui nous intéresse, le mobile étant statique la valeur du Timing Advanced (TA) ne change pas, dans le cas ou le mobile conserve la même cellule de service (Serving Cell). Comme évoqué dans l’introduction, le changement de cellule peut intervenir en cas de défaillance de la station de base lorsque le mobile est en écoute.

L’allocation de ressource de type 5, uniquement applicable pour les terminaux BL/CE est configurée à partir du paramètre PUR-Config [6].

La première transmission PUSCH PUR est séquencée par un message RRC, les messages subséquents sont ordonnancés par un message DCI.

Une étude plus importante doit être menée pour connaitre les conditions de validité de cette procédure.

 Etats RRC_INACTIVE (5G)/RRC_IDLE et RRC_CONNECTED

L’état RRC INACTIVE a été introduit en 5G de manière à conserver au niveau de la station de base et du mobile UE le contexte AS (Access Stratum), dans le but de réduire la consommation énergétique et le nombre de messages échangés entre le mobile UE et la station de base.

La spécification R.13 (4G) introduit deux nouveaux messages : RRC SUSPEND et RRC RESUME pour modifier l’état du mobile UE au niveau du mobile et de la station de base.

ATTENTION, en 4G le mobile revient à l’état RRC_IDLE à la réception du message RRC SUSPEND.

L’état INACTIVE apparait avec la 5G. Le noeud radioélectrique 5G peut être une station de base 4G ou une station de base 5G. Ainsi, l’état RRC_INACTIVE apparait à partir de la R.15 sur l’accés radioélectrique E-UTRAN, à condition d’avoir un cœur de réseau 5G.

Dans l’état RRC INACTIVE, le mobile et la station de base suspendent leur connexion radioélectrique mais le contexte AS est conservé au niveau du mobile et de la station de base. Le cœur de réseau considère que le mobile est toujours à l’état RRC CONNECTED. La sélection de cellule est gérée par le mobile mais le paging est géré par la station de base.

Figure 10 : Les états du mobile UE 4G/5G

Figure 11 : Grafcet des états du mobile pour le 5GC

Lorsque le mobile UE est à l’état RRC INACTIVE, il dispose d’un identifiant I-RNTI permettant d’identifier le contexte AS et permettant à la station de base de s’adresser au mobile UE via les messages de signalisation RRC, mais l’identifiant I-RNTI n’est pas utilisé pour embrouiller les bits du CRC.

Dans le cas d’un coeur de réseau 4G, le mobile ayant reçu une demande de suspension passe à l’état inactif. L’identifiant I-RNTI n’existe pas en 4G mais uniquement en 5G. De ce fait, pour la 4G, c’est l’identifiant S-TMSI qui est utilisé, ce qui explique pourquoi le S-TMSI et l’I-RNTI ne servent pas à embrouiller les bits CRC mais uniquement comme un identifiant de terminal.

Il y a deux formats I-RNTI :

  • Un format court de 24 bits
  • Un format long de 40 bits

Le mobile UE utilise l’un des deux formats en fonction de l’information portée par le drapeau « useFullResumeId » porté par le message SIB1.

Figure 12 : Les informations concernant l’identifiant I-RNTI portées par le SIB1

Le format court est utilisé de préférence dans les macro-cellules, le format long pour les micro-cellules ou pico-cellule. En effet, dans le cas des macro-cellules, lorsque le terminal est situé à l’extrémité de la cellule, la connexion radio est mauvaise. La taille minimale du TBS est de 48 bits, si les conditions radios sont mauvaises alors les données pouvant être transmises sans segmentation doivent avoir une taille inférieure à 48 bits. Le Short-I-RNTI ne faisant que 20 bits est préféré au Full-I-RNTI.

L’identifiant I-RNTI est utilisé pour notifier le mobile UE d’une procédure de paging ou pour mettre à jour la localisation (RNA Update). L’identifiant I-RNTI n’est pas utilisé lors de la procédure PRACH pour embrouiller la séquence DCI, il est transmis dans un message RRC, remplaçant l’identifiant UE_Identity en 4G (S-TMSI).

Par contre, la séquence DCI est toujours embrouillée par un identifiant RA-RNTI puis TC-RNTI. A ce titre, le TC-RNTI doit remplacer l’ancien C-RNTI de la précédente transmission SDT (cf la demande de modification : https://portal.3gpp.org/ngppapp/DownloadTDoc.aspx?contributionUid=R2-2102084)

Procédure

Figure 13 : La procédure d’activation de lien RRC (Passage de l’état RRC IDLE à l’état RRC CONNECTED) pour un coeur de réseau 4G

RRCRESUMEREQUEST ou RRCRESUMEREQUEST1

Quand le mobile UE souhaite transmettre un message, il déclenche la procédure d’accès aléatoire puis demande le rétablissement de la connexion radioélectrique via le message RRCResumeRequest ou le message RRCResumeRequest1. Le mobile émet la requête RRCResumeRequest1 si le SIB1 contient l’information useFullResumeID pour transmettre l’identifiant I-RNTI sur 40 bits. Sinon, le mobile émet la requête RRCResumeRequest avec l’identifiant SHORT-IRNTI.

UE CONTEXT RESUME REQUEST

La procédure UE CONTEXT RESUME REQUEST permet à l’eNB d’indiquer au cœur de réseau (MME/AMF) que le mobile UE souhaite reprendre la connexion RRC suspendue ou pour permettre l’émission d’un message EDT.

5G-NR : RA-SDT et CG-SDT

La procédure SDT (Small Data Transmission) est définie lorsque le mobile est à l’état RRC_INACTIVE.

La procédure RA-SDT est similaire à la procédure EDT lorsque le mobile est soit à l’état de veille, soit à l’état inactif en proposant de transmettre le signal en 4 étapes ou en 2 étapes. Plus précisément, la R.16 propose une procédure d’accès aléatoire en 2 étapes nommées 2-Step RA.

La transmission EDT ou RA-SDT transmet les informations lorsque le mobiles est à l’état de veille (CP-EDT) ou à l’état RRC_INACTIVE (UP-EDT ou RA-SDT). La procédure d’accès aléatoire 2-Step RA permet donc de transmettre les données en 2 étapes seulement.

La procédure CG-SDT est similaire à la procédure PUR lorsque le mobile est à l’état inactive.

L’une et l’autre sont en cours de spécification dans la R.17 [7]. La mise en œuvre de la R.17 radio ne sera pas réalisée avant 2024/2025.

Je bloque actuellement sur le point suivant :

En reprenant la spécification TS 36.300 :

« Transmission using PUR allows one uplink transmission from RRC_IDLE using a preconfigured uplink resource without performing the random access procedure. »

Mais, la 3GPP définit la transmission PUR de la manière suivante :

« Transmission using PUR is triggered when the upper layers request the establishment or resumption of the RRC Connection »

Cela signifie donc que l’UE est à l’état RRC_INACTIVE et non à l’état de veille?

Conclusion

Pour passer du mode de veille au mode connecté, le terminal UE émet une séquence aléatoire dont les caractéristiques (racine de la séquence) et l’instant d’émission est transmise par la station de base au mobile UE.

Concernant l’émission de la séquence aléatoire, la sous-trame de transmission est définie par le message SIB2.

La transmission SDT est défini comme une transmission pour laquelle l’UE n’a pas besoin de passer à l’état RRC_CONNECTED.

La procédure de transmission de message SDT à 2 messages (EDT ou RA-SDT) consiste à transmettre les données lors de la procédure d’accès aléatoire à l’état RRC_IDLE ou RRC_INACTIVE.

La procédure de transmission PUR ou CG-SDT nécessite que le mobile soit à l’état RRC_INACTIVE suivant un état RRC_CONNECTED. Lorsque le mobile est à l’état RRC_CONNECTED, la station de base transmet la configuration des allocations de ressource à l’UE (MCS, UL Grant, TA). Cette configuration n’est valable que tant que le mobile reste sous la couverture de la même station de base (pas de modification du TA Timing Advanced).

 Pour plus d’information, n’hésitez pas à me contacter pour une formation sur les réseaux LPWAN.

Ressources Bibliographiques

[1] TS 136 211 – V14.2.0 – LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio  Table 5.7.1-2: Frame structure type 1 random access configuration for preamble formats 0-3

[2] TS 136 211 – V14.2.0 – LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio  Table 5.7.2-4: Root Zadoff-Chu sequence order for preamble formats 0 – 3

[3] TS 136 211 – V14.2.0 – LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio  Table 5.7.2-2 NCS for preamble generation (preamble formats 0-3)

[4] Andreas Höglund, Dung Pham Van, Tuomas Tirronen, Olof Liberg, Yutao Sui, and Emre A. Yavuz, “3GPP Release 15 Early Data Transmission”, 2018, IEEE Communications Standards Magazine ( Volume: 2, Issue: 2, JUNE 2018), p90-96, https://doi.org/10.1109/MCOMSTD.2018.1800002

[5] Andreas Höglund, G. A. Medina-Acosta, Sandeep Narayanan Kadan Veedu, Olof Liberg, Tuomas Tirronen, Emre A. Yavuz, and Johan Bergman , 3GPP Release-16 Preconfigured Uplink Resources for LTE-M and NB-IoT

[6] 3GPP TS 36.213, R.16.8.0 : Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer procedures

[7] 3GPP TS 38.321, R.17.0.0 (mars 2022), MAC protocol Specification.

 

Extrait du module de Formation LTE 4G

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Bonjour

dans mes modules de formation 4G, je détaille la couche physique et je développe une formule permettant de calculer la capacité théorique du canal en appliquant la formule de Shannon, et appliqué à la 4G.

Je vous propose de vous livrer un chapitre de mon cours, à travers 3 articles pour aboutir à la formulation de la capacité du canal en 4G.

Cet article étant le premier, je vais revenir sur l’OFDM, principe déjà traité dans ce blog.

Principe de l’OFDM

Deux points critiques (parmi tant d’autres) pour les télécommunications sont la synchronisation et l’adaptation au canal de propagation. Dans le cadre d’une transmission mobile, le canal de propagation varie fortement (cf. canaux sélectifs en fréquence et en temps, article Pourquoi-la-4g-utilise-lofdma)

Lorsqu’un canal est sélectif en fréquence, l’atténuation varie d’une bande de fréquence à une autre. Imaginer un égaliseur audio (cf. audacity ou equalify) qui modifie les sons dans les aigus et les graves, il en est de même pour le signal reçu au niveau de l’équipement radio. Pour illustrer cela sur un extrait audio, je vous propose de modifier des séquences audios via Audacity.

Parmi les techniques de compensation (on parle plutôt d’égalisation), l’utilisation de modulations multi-porteuses sont plus simple à mettre en place car, comme dans le cas des égaliseurs audios, l’équipement ne modifie (amplifie) qu’une bande faible de signal. Le signal OFDM (imaginé en 1960) consiste à transmettre une information binaire (une suite de bits, c’est-à-dire des symboles) sur des porteuses différentes, autrement sur des fréquences différentes (la aussi, on peut imaginer le concept avec la radio FM, imaginez qu’une radio diffuse non plus sur une seule fréquence, mais sur plusieurs fréquences).

Le spectre ainsi obtenu est un ensemble de modulation sur des porteuses équi-réparties. Le spectre est représenté sur la figure ci-dessous.

C’est avec l’avènement et la maitrise des composants programmable que l’OFDM a connu un véritable essor. En effet, cette modulation est maitrisée et rapidement réalisée via un composant électronique dédié, nommé DSP. La technique utilisée est la fameuse transformée de Fourier. Nous représentons le synoptique de la chaîne OFDM et l’outil mathématique en jaune permettant de réaliser cette fonction OFDM.

Cette méthode (OFDM et réalisation pratique) est déjà utilisée dans différents standards sans fils (IEEE802.11a, WiMAX, LTE, DVB).

Comme on peut le constater sur les figures précédentes, le principe consiste à sérialiser les informations à transmettre sur N sous porteuses.

Imaginons devoir transmettre une information dont le débit est de 1024000 symboles par secondes. Le spectre du signal est donc étendu sur une bande de 2*1024000 Hz (sans filtrage).

Si l’on sérialise sur 1024 porteuses, nous allons transmettre 1000 symboles par seconde par porteuses, le spectre par porteuse est donc de 2*1000 Hz (sans filtrage). Il suffit donc de transmettre chacune des porteuses avec un écart de 1000 Hz pour avoir une transmission OFDM.

Nous traiterons dans le prochain article du préfixe cyclique.

Bouygues souhaite récupérer les abonnées des autres opérateurs

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Il y a quelques mois, nous avions assisté à une plainte des Australiens contre Apple pour publicité mensongère : Les iphones dit 4G (iphone5) n’étaient pas compatible en Australie, se référer à l’article suivant : http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/tag/apple/

Toutes personnes qui possèdent un iphone 5 ne peut donc pas se connecter sur le réseau 4G en France puisque les fréquences ne sont pas compatibles. Mais, à partir du 1er octobre, Bouygues ouvre son réseau sur la bande de 1800 MHz (Refarming).

D’ailleurs, le PDG de Bouygues Telecom, Olivier Roussat, fait un appel du pied à tous les possesseurs d’Iphone5 via  Twitter en publiant le messagesuivant  « Bienvenue à tous les detenteurs d’Iphone5. ».Je vais twitter à M Roussat mes cours sur la 4G et lui proposer mon catalogue de formation 🙂

Orange et SFR vont ils lancer rapidement leur réseau sur la bande de 1800 MHz? Ils devront le faire quoiqu’il en soit, car pour préparer le LTE-A, il est nécessaire d’avoir plus de bande de fréquence que celles autorisées sur le 2600 MHz et 800 MHz.

Quant à Free, la course à la 4G n’est que le début car le LTE-A qui promet en débit de 1Gbps nécessite 100 MHz de bande, soit 5 fois plus de bande que celle actuellement acquise par l’opérateur.

 

 

 

RSRP et RSRQ

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Cet article a été mis à jour le 11/11/2021

En allant sur les forum 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

Reference signal received power (RSRP), is defined as the linear average over the power contributions (in [W]) of the resource elements that carry cell-specific reference signals within the considered measurement frequency bandwidth.

Le RSRP correspond à la puissance moyenne d’un RE dans lequel le signal de référence CRS est transmis et sur l’antenne 0 et éventuellement l’antenne R1.

Pour comprendre la mesure, il est donc nécessaire de revenir sur le mapping physique d’une trame LTE (sur une sous-trame soit 2 RB consécutifs) :

FFigure 1 : Un exemple de répartiton des signaux de références RS

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  sur 12 qui transportent le message de référence.

Sur le premier temps symbole, sur les 12 sous-porteuses, le terminal va mesurer la puissance contenue dans les éléments de ressource RE qui transportent le signal de référence RS. La puissance RSRP est la moyenne des puissances mesurées.

Ainsi, sur l’exemple de la figure 1, en se basant sur un seul RB, la valeur RSRP correspond à la 1/2 de la puissance totale mesurée sur le 1er symbole sur les sous-porteuses 6 et 12.

La sous-porteuse 6 et 12 ne transportent a priori que le signal de référence. Les autres sous-porteuses 1 à 5, 7 à 11 transportent le trafic utile.

La valeur du RSSI est mesurée sur toutes les sous-porteuses du premier temps symbole du RB. Sur un  seul RB , le RSSI par RB est donc égale à 12*N*RSRP, avec N le nombre de RB.

Supposons que la station de base ne transmette aucun trafic, alors les RE des sous-porteuses 1 à 5 et 7 à 11 ont une puissance nulle. Ainsi, sur N RB alors la valeur du  (sute au commentaire de François, correction au 31/12/2024)  RSSI=2*N*RSRP

Le RSRQ est égale à 10*log10(N*RSRP/RSSI) vaut donc ½ soit -3dB dans notre exemple.

Hypothèse 2 : Si maintenant on suppose que des Données sont transmises sur chaque sous porteuses à la même puissance que le signal de référence. Dans un RB il y a 2 RE ou le signal de référence RS est transmis, et il y a 10 RE pour les données. Chaque RE portant la même puissance (égale à RSRP par hypothèse), 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

Quelle est la plage de valeur du RSSI ?

Selon les sites, la plage de valeur de RSSI varie entre -53 dBm à -95 dbm, ou de -40 dBm à -130 dBm, mais en fait il n’y a pas de réponse absolue mais des mesures pratiques.

Le RSSI est une mesure sur la bande totale incluant le bruit, les interférences issues des stations de base voisine et le signal de la station de base serveuse.

Dans l’exemple 2, on supposait que les stations de bases voisines n’émettaient rien et on supposait que la puissance reçue sur chaque RE est égale à la puissance le signal de référence. Ainsi, sur 1 RB on mesure RSSI=12*RSRP

Sur la bande totale (N RB) alors le RSSI=12*N*RSRP, valeur que l’on retrouve parfois dans la littérature. Mais il faut prendre en compte l’hypothèse forte le signal reçu sur chaque RE est égale à la puissance reçue RSRP.

En dB, on a RSSI=RSRP+10*log10(N), avec N compris à 6 (pour 1.4 MHz de bande) à 100 (pour 20 MHz de bande). On trouve ainsi dans la littérature que RSSI est supérieure à RSRP d’une valeur de 20 dB (10*log10(12*6) = 18,57 dB) à 30 dB (10*log10(12*30)=30,8 dB), ce qui n’est pas exact puisqu’on suppose qu’il n’y a pas d’interférence (pas de station de base voisine ou pas de MIMO)

Le RSRP à une valeur comprise entre -44 dBm à -140 dBm (3GPP TS 36.133 V8) donc au mieux on peut considérer que le RSSI est compris entre -14 dBm (20 MHz de bande) à -120 dBm (1,4 MHz de bande) dans l’hypothèse précédente.

Dans la pratique, on peut considérer que :

  • Canal mauvais : RSSI < -80 dBm
  • Canal moyen : – 70 dBm < RSSI < – 80 dBm
  • Canal bon : – 60 dBm < RSSI < – 70 dBm
  • Canal excelle : – 50 dBm < RSSI < – 60 dBm

Exemple issu d’un forum (https://lafibre.info/bboost/rssi/) :

Et le SINR -Signal Interfence Noise Ratio?

La valeur du SINR n’est pas définie au niveau du standard 3GPP et pourtant cette valeur apparaît comme mesure de la qualité du signal.

Le SINR est le rapport de puissance entre le signal utile et le bruit auquel on rajoute les interférence SINR=P/(N+I). Cette valeur s’exprime en dB : 10.log10[P/(N+I)]

  • S est la puissance utile mesurée au niveau du signal de référence ou du canal PDSCH
  • I est la puissance des interférences créé par les cellules voisines
  • N est le bruit thermique

Le calcul est donc le suivant (cf. https://www.cablefree.net/wirelesstechnology/4glte/lte-rsrq-sinr/)