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CHO : Conditionnal Handover, DAPS HO et H.O Traditionnel

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La procédure de HandOver a pour objectif de maintenir une session de données ou un échange de signalisation lorsque l’UE bascule d’une cellule vers une autre. La station de base source informe la station de base cible d’une demande de handover par le message Handover Request. Ce message est porté par l’application XnAp. La station de base cible vérifie les conditions d’admission et répond à la station de base source par le message Handover Request Acknowledge. Si la demande est acceptée, la station de base source demande au mobile d’exécuter le handover. Pour guider le mobile, la station de base cible transmet à la station de base source les informations de configuration dans le message Handover Request Acknowledge. Ensuite, la station de base source transfère le contenu de la configuration de Handover dans le message RRC Reconfiguration (figure 1).

Les informations de configuration contiennent au minima l’identité de la cellule cible (Cell ID) et toutes les informations requises pour accéder à la station de base cible (préambule, C-RNTI de la cible gNB…). Ces informations sont transmises dans un containeur transparent d’un message RRC.

Figure 1 : La procédure de Handover inter-gNb [1]

 

Dès que la station de base source reçoit le message Handover Request Acknowledge, un tunnel de données est établi de manière temporaire de la station de base source vers la station de base cible. Cela permettra aux paquets à destination de l’UE (paquet descendant) d’être transférés vers la station de base cible pour les transmettre au mobile après exécution du handover.

L’exécution du Handover se passe en deux étapes : L’UE reçoit un ordre pour couper le lien radio avec la station de base source et il établit un lien avec la station de base cible.

Pour ce faire, l’UE démarre la procédure d’accès aléatoire (cf article précédent) avec la station de base cible et une fois connecté, l’UE transmet le message RRC Reconfiguration Complete à la station de base cible.

Le relâchement du flux entre la station de base source et le cœur de réseau est déclenché par la station de base cible.

A travers cet article, nous allons étudier trois méthodes de Handover :

  • Handover traditionnel
  • DAPS Handover
  • Handover Conditionnel

Les méthodes de Handover CHO et DAPS ne peuvent pas être configurés simultanément. La demande de Handover est déclenchée par une réception radio mauvaise. Nous allons démarrer l’article par les évènements de mesure du lien radio.

  • Les évènements de mesure

La demande de Handover est déclenchée par le mobile lorsque la puissance du signal radio reçue par le mobile correspond à un évènement connu par le mobile. Les évènements de déclenchement sont transmis par la station de base au mobile dans le message RRC Reconfiguration.

Les différents évènements de mesure sont :

A1 : Cet évènement est déclenché lorsque la puissance RSRP reçue par l’UE et issue de la cellule de service est supérieure à un seuil. Cette condition permet d’annuler la demande d’un Handover

A2 : Cet évènement est déclenché lorsque la puissance RSRP reçue par l’UE du signal issu de la cellule de service est inférieure à un seuil. Cette condition permet à l’UE de déclencher d’autres mesures inter-fréquences ou inter-systèmes ou de réaliser une mobilité à l’aveugle.

A3 : Cet évènement est déclenché lorsque la puissance RSRP reçue de l’UE et issue d’une cellule voisine est supérieure aux mesures des cellules SpCell c’est-à-dire la cellule maître et secondaire (Double connectivité : https://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2022/07/20/pcell-scell-pscell-et-spcell/)

A4 : Cet évènement est déclenché lorsque la puissance RSRP reçue par l’UE d’une cellule voisine est supérieure à un seuil. Cet évènement permet de faire de l’équilibrage de cellule d’un UE à cause du nombre d’UE et non des conditions radio. Dans ce cas, il est juste nécessaire de vérifier que la couverture radio de la cellule voisine est suffisante pour une couverture radio convenable.

A5 : Cet évènement est déclenché lorsque la puissance RSRP reçue de l’UE par une cellule est inférieure à un seuil alors que la puissance reçue par une autre cellule est supérieure à un autre seuil. Cette mesure permet un Handover intra-fréquence ou inter-fréquence.

A6 : Cet évènement est déclenché lorsque la puissance RSRP reçue par l’UE d’une cellule voisine est supérieure ou inférieure à une cellule secondaire utilisé lors de l’agrégation de cellule. La puissance reçue par la cellule secondaire est affecté d’un offset positif ou négatif.

B1 : Cet évènement est déclenché lorsque la puissance RSRP reçue par l’UE d’une cellule voisine d’un autre RAR est supérieur à un seuil.  Cet évènement peut être utilisé pour réaliser un Handover afin d’équilibrer la charge de la cellule tant que la réception radio est suffisante.

B2 : Cet évènement est déclenché lorsque la puissance RSRP reçue par l’UE de la cellule primaire est inférieure à un seuil alors que la puissance radio reçue par l’UE d’une autre technologie RAT est supérieure à un autre seuil. Cela permet de définir quelle station de base cible prendra le relais radio lors du Handover.

Les mesures A1 à A6 concernent des mesures radio de la même technologie radio

Les mesures B1 et B2 concernent des mesures radios de technologies différentes (autre RAT)

 

  • Le Handover traditionnel HO

La procédure de H.O traditionnelle s’effectue en trois étapes :

  • Préparation du HandOver
  • Exécution
  • Achèvement

Figure 2 : La procédure de Handover BHO

Phase de préparation :

A partir du rapport de mesure, la décision du Handover revient à la station de base source. C’est elle qui décide quelle station de base cible assurera la reprise de la session. En fonction des mesures, le mobile fait une demande de HO et attend la réponse de la station de base ciblée par la station de base source.

Phase d’exécution :

La figure 2 complète les premiers messages de la figure 1.

Avant que l’UE se connecte à la station de base cible (procédure RACH et message RRC Reconfiguration Complete), la station de base source envoie le numéro de séquence de l’entité PDCP pour le lien montant et pour le lien descendant (SN Status Transfer). Le numéro SN permet de vérifier qu’aucun paquet n’est perdu au niveau de l’entité PDCP pour les paquets en mode acquitté (RLC AM) lors du HandOver (source/cible). L’entité de la couche RLC remet à 0 le compteur de paquet entre l’UE et la station de base cible, la séquence numéroté PDCP est là pour garantir que tous les paquets ont bien été reçus par le récepteur.

Au niveau du plan utilisateur :

1) lors de la phase d’exécution du HO, après l’envoi du numéro SN, la station de base source établit un tunnel temporaire vers la station de base cible. Le plan utilisateur (trafic) utilise ce tunnel temporaire pour envoyer les flux vers la station de base cible. Ainsi les données entrantes, du réseau DN vers le mobile sont transmis de l’UPF vers le gNB source et du gNB source vers le gNB cible. Les paquets sont bufferisés au niveau du gNB cible. En même temps, la station de base cible recopie la table d’acheminement de la station de base source ce qui lui permet de connaitre l’adresse IP du la fonction UPF et l’identifiant de tunnel TEID associé au flux : le tunnel montant est ainsi ré-établi au niveau de la gNB cible.

Entre temps, le mobile fait une demande d’attachement avec la station de base cible. Une fois connecté, le mobile communique de manière bidirectionnelle avec la station de base cible. Ainsi, les données bufferisées au niveau du gNB cible peuvent être transmises vers le mobile. Pour le lien montant, l’UE envoie les données vers le gNB cible qui les transfère vers l’UPF (@IP UPF et TEID connu).

2) La phase d’achèvement permet de modifier la table d’acheminement de l’UPF pour que les données soient acheminées vers la station de base cible. Cette phase permet aussi de vérifier que toutes les données ont bien été réacheminées (End Marker). Lorsque le dernier paquet reçu par la gNB source a été transmis au gNB cible, le gNB cible demande à la fonction AMF de modifier la table d’acheminement de l’UPF. La fonction AMF envoie la requête PATH SWITCH REQUEST à la fonction SMF afin que cette fonction commute le trafic descendant du gNB source vers le gNB cible.

La figure 3 représente le plan utilisateur lors du H.O :

 

Figure 3 : Le plan utilisateur lors du Handover

  • DAPS HO

Dans le cas de la procédure du H.O, il y a une interruption radio de 30 ms à une centaine de ms, ce qui n’est pas compatible avec les services de type URLLC ou la latence est de 1 ms.

La méthode de Handover DAPS (Dual Active Protocol Stack) permet au mobile de conserver le lien radio de données DRB (Data Radio Bearer) avec la station de base source après la commande de Handover, mais l’UE suspend sa signalisation radio SRB avec la station de base source.

Ainsi, l’UE continue à recevoir et à émettre du trafic avec la station de base source en attendant d’être connecté avec la station de base cible.

Préparation du HO.

Le mobile envoie son rapport de mesure à la station de base. La station de base source déclenche le Handover et envoie la commande Handover Request à la station de base cible. La station de base gNB cible prépare le Handover et envoie le message Handover Request Acknowledgement à la station de base source.

La station de base source envoie ensuite le message RRC_Reconfiguration à l’UE pour lui fournir les informations du HO.

Au moment de la demande de HandOver, un tunnel temporaire est établi entre la station de base source et la station de base cible permettant de router le trafic Uplink/Downlink lorsque le mobile se connecte avec la station de base cible. C’est la station de base source qui décide à quel moment elle arrête de transmettre le trafic DL.

Exécution du H.O.

La station de base source envoie ensuite le message SN Uplink Early Status Transfer à la station de base cible. La station de base cible envoie le message SN Downlink Early Status Transfer à la station de base source.

L’information Early Status Transfer (procédure de transfert anticipé) permet de connaitre le numéro de séquence de la première liaison SDU PDCP descendante que la station de base source doit transmettre à la cible.

L’UE se synchronise sur la station de base cible et finalise le Handover par le message RRC Reconfiguration Complete à la station de base cible (suite à la procédure d’accès aléatoire).

La station de base source maintient la transmission DL jusqu’à réception du message HandOver Success émis par la station de base cible. Ce message est transmis lorsque l’UE est connecté sur la station de base cible. Le message HandOver Success permet à la station de base cible d’informer la station de base source que le H.O s’est bien déroulé.

Achevènement du H.O

La station de base source envoie le message SN Status Transfer à la station de base cible. Le cœur de réseau modifie le tunnel entre la fonction UPF et la station de base source.

Ainsi, pour le DAPS HO, le mobile se connecte avec la station de base cible avant de libérer sa connexion avec la station de base source.

Même si le trafic DL a commuté vers la station de base cible, le trafic UL est toujours émis de l’UE vers la station de base source. L’UE continue a émettre les informations CSI, HARQ vers la station de base source.

Puis, le mobile libère les ressources radios avec la station de base source. En cas d’échec, l’UE se repli (fallback) sur la station de base source en ré-établissant les bearers de signalisation SRB suspendus.

Deux piles protocolaires au niveau de l’UE sont nécessaires pour maintenir la session avec la station de base source et pour établir une nouvelle session avec la station de base cible ce qui suppose :

  • Création d’une nouvelle entité MAC et RLC pour chaque DRB
  • Etablissement d’une entité RLC associé au canal logique DTCH pour la station de base cible pour chaque DRB concerné

Figure 4 : La couche protocolaire pour la méthode DAPS HO

Les couches PHY/MAC/RLC sont dupliquées, l’une pour la station de base source, l’autre pour la station de base cible. L’unique entité PDCP gère les bearers vers les deux stations de base. La signalisation SRB est émise vers la station de base cible.

Lors de la procédure DAPS, le mobile maintient donc sa connexion avec la station de base source après avoir reçu la commande de HandOver, à la différence du HO traditionnel.

Figure 5 : La procédure de Handover DAPS

Le Handover Inter-RAT DAPS n’est pas supporté dans la R.17, ni même le DAPS HO de la bande FR2 vers la bande FR2.

  • Le Handover Conditionnel CHO

Le Handover Conditionnel CHO est apparu dans la spécification R.16. Lorsqu’un évènement de mesure est satisfait, l’UE envoi un rapport de mesure vers la station de base source, et celle-ci démarre la procédure de HO Conditionnelle.

La nouveauté est que l’exécution du Handover est faite au niveau de l’UE à partir des conditions de HO des stations de base voisines.

Ainsi, lors de la phase de préparation, gérée par la station de base source, la gNB source demande à un ensemble de stations de base voisines de transmettre les conditions de Handover. Dans le cas du H.O traditionnel, la station de base source choisissait la station de base cible. Chaque station de base voisine transmet à la station de base source les conditions de déclenchement de Handover.

Lors de la phase de préparation, la station de base source fournit les conditions d’exécution à l’UE à travers un message de Commande de HandOver (HO Command) dans le message RRC Reconfiguration.

La sélection de la station de base cible est gérée au niveau de l’UE à partir des conditions reçues.  En cas d’échec de HO, le mobile recherche une nouvelle cellule et si celle-ci est candidate, le mobile fait une nouvelle tentative. En cas de deuxième chec, le mobile revient sur la cellule initiale.

Le choix de la station de base cible par l’UE s’appuie sur une ou plusieurs conditions est/sont atteinte(s). La condition peut porter sur le RSRP ou RSRQ. L’UE indique le choix de la station de base cible via le message RRC Reconfiguration Complete envoyé à la station de base source.

L’UE initie la demande d’accès aléatoire selon les conditions de HO reçue dans la commande de HO vers la station de base cible. Si, les conditions sont atteintes mais avant de déclencher le HO l’UE reçoit une nouvelle commande de HO, il ne poursuit pas la procédure de HandOVer initiale.

Le CHO a pour objectif d’améliorer le taux de réussite du Handover et s’effectue toujours en trois étapes.

  • Etape de préparation : Le mobile fait une demande de Handover et reçoit un acquittement avec les conditions de HO.
  • Etape d’exécution : Le mobile analyse les conditions de HO et se synchronise sur la cellule candidate. La station de base source envoie le message EARLY STATUS TRANSFER contenant le numéro SN de reprise de séquence. Un tunnel DATA temporaire est créé entre la station de base source et la station de base cible pour le trafic descendant. Les données sont bufferisées au niveau de la station de base cible.

Figure 6 : La procédure de Handover CHO

L’UE réalise des mesures du lien radio. Lorsqu’un évènement de mesure (A1/A6) se déclenche, l’UE transmet un rapport de mesure à la station de base, indiquant à celle-ci qu’un handover sera nécessaire.

Phase de préparation

La station de base source envoie la requête Handover Request via l’application XnAP vers toutes les stations de bases voisines candidates. Chaque station de base candidate transmet à l’UE le préambule d’accès aléatoire et se prépare à recevoir une demande d’accès aléatoire de la part de l’UE. La station de base source récupère les informations de HO. Chaque condition contient le préambule à utiliser spécifique à la station de base et des options de mesures d’évènement à réaliser pour la station de base. Chaque condition est regroupée dans la payload du message RRC Reconfiguration. La commande de Handover Condtionnelle est transmise au mobile via le message RRC Reconfiguration.

Phase d’exécution

A partir des conditions reçues, et des mesures complémentaires à réaliser, l’UE choisit la station de base cible et en informe la station de base source via le message RRC Reconfiguration Complete de la station de base cible choisit. La station de base source initie la procédure de modification du plan d’acheminement NGAP Path Switch Procedure. Via le message Early Status Transfert, la station de base source transmet à la station de base cible les informations d’acheminement du l’UPF (@IP de l’UPF et l’identifiant TEID concernant la session de l’UE et réalise la création d’un tunnel temporaire entre la station de base source et la station de base cible.

L’UE exécute la procédure d’accès aléatoire vers la station de base cible.

 

Références

[1] TS38.300 R.17 : Figure 9.2.3.1-1

https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/138300_138399/138300/17.00.00_60/ts_138300v170000p.pdf

Annexe DAPS

 

La re-sélection de cellule : Part 1

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Je remercie lMr e professeur Xavier Lagrange pour sa relecture et ses très bon conseils.

Introduction de M Lagrange :

  • l’opérateur déploie plusieurs bandes de fréquence. Sur chaque bande, une voie balise. A même puissance de transmission, le signal reçu sera d’autant plus puissant  que la fréquence est basse.
  • pour assurer une bonne couverture à l’intérieur des bâtiments, il y a recouvrement important entre les cellules surtout sur les fréquences basses et en extérieur.
  • En état de veille, un terminal est positionné (campe) sur une voie baise d’un eNB (et donc sur une bande de fréquence). S’il fait un accès, les premiers échanges UE-réseau se sont font cet eNB sur cette bande. Le réseau peut demander à un UE de changer d’eNB ou de bande (handover) mais cela a un coût de signalisation.
  • L’enjeu est donc de s’assurer que les terminaux sont harmonieusement répartis en veille sur les fréquences et dans les cellules. Il faut éviter que tous les terminaux sélectionnent le 700 MHz car cela créerait un engorgement sur cette bande.
  • Par ailleurs, les terminaux sont mobiles et les signaux radios reçus sont fluctuants. Il faut éviter qu’un terminal change très fréquemment de cellules ou de bande (par exemple plusieurs fois par secondes).
  • on définit donc
    • une règle de sélection ou non d’une cellule+bande qui vise à s’assurer que si le terminal l’utilise, le signal reçu de l’eNB est suffisant pour que l’UE décode correctement les messages ou données et le signal émis par l’UE est suffisant pour que l’eNB puisse le décoder. Il ne s’agit pas de sélectionner une cellule mais d’établir une liste (cf. articles précédents)
    • une règle de re-sélection. L’objectif est double : d’une part, établir une liste ordonnée en construisant un indicateur intégrant de nombreux paramètres pour déterminer la meilleure cellule, d’autre part, intégrer des mécanismes de stabilisation (via des hystérésis) pour éviter de trop rapides alternances. La cellule choisie n’est pas au final nécessairement la première dans la liste mais celle présentant le meilleur compromis

 

A la date d’écriture de l’article, le réseau 5G SA n’est pas encore déployé. L’article se concentre sur la sélection de cellule sur le réseau 4G [1].

La sélection ou re-sélection de cellule a lieu lorsque le mobile est à l’état RRC_IDLE. Lorsque le mobile est connecté avec le contrôleur, il est dans l’état RRC_CONNECTED et la re-sélection de cellule est réalisée par l’eNB : il s’agit du HandOver. Le HandOver est déclenché à partir des mesures reportées par le mobile vers l’eNB. Ces valeurs sont transmises lorsqu’un évènement (A1, A2, A3, A4, A5, B1 ; B2) a lieu. La configuration de ces évènements est transmise par l’eNB au mobile dans le message RRC_Reconfiguration. Ces évènements ne seront pas explicités dans cet article.

  1. Sélection de cellule

Lorsque le mobile s’allume, il cherche la meilleure cellule parmi les cellules candidates (cf. article : Sélection de cellules – Principes Généraux). Cette sélection de cellule est également réalisée après une perte de couverture radio et périodiquement lorsque l’UE n’est pas sur son réseau home HPLMN.

On appelle la Serving Cell, la cellule sur laquelle le mobile campe. La cellule est un secteur géographique couvert par une bande radio. Si la station de base exploite plusieurs bandes de fréquence alors le mobile doit sélectionner le réseau opérateur, le type d’accès radio (RAT 2G/3G/4G) et la bande radio la plus prioritaire.

Nous avons vu que la carte UICC contient la liste des PLMN et RAT (4G/3G/2G) avec un ordre de priorité.

La sélection de cellule s’effectue en recherchant d’abord le RAT prioritaire du réseau à partir des informations contenues dans la SIM et par comparaison avec le signal de diffusion SIB1 de la cellule candidate.

Même si la puissance du signal SIB1 est suffisante pour être décodée, le mobile doit vérifier que la cellule n’est pas blacklistée et que les critères de réception Srxlev et de qualité du signal Squal de la cellule candidate sont positifs.

Le calcul du critère Srxlev dépend de la puissance de réception RSRP (cf. article) et des seuils de configuration Qrxlevmin, Qrwlevelminoffset et Pcompensation Ces informations sont transmises dans le SIB1. Si une information est absente, le terminal prend 0 dB comme valeur de référence.

Equation 1: Srxlev= RSRP – (Qrxlevmin+Qrwlevelminoffset)-Pcompensation >0

Le terminal est définie par une puissance de transmission maximale (Ppowerclass). La puissance de compensation est le différence entre la puissance maximale de la cellule et la puissance maximale du mobile. Ainsi, sI la puissance de transmission du mobile (par exemple 17 dBm) est inférieure à la puissance maximale de la cellule (Pmax émis dans le SIB1 par exemple 23 dBm) alors la valeur de compensation est égale à 6 dB ce qui rend la sélection de la cellule plus difficile puisque  Srxlev >0

Le calcul du critère Squal dépend de la qualité de réception et de seuil de configurations Qqualmin, Qqualminoffset

Equation 2 : Squal= RSRQ – (Qqualmin+Qqualminoffset)>0

Si l’une des deux valeurs est négative, le mobile ne pourra pas déclencher la procédure d’accès aléatoire, et il cherche donc à sélectionner une cellule ou un RAT apportant une meilleure réception.

Qrxlevmin est le niveau de puissance minimal reçu au niveau du terminal qui lui permet d’accéder à la cellule.

Qqualmin est le niveau de qualité minimal calculé au niveau du terminal qui lui permet d’accéder à la cellule.

Les offsets Qrwlevelminoffset et Qqualminoffset sont utilisés pour la recherche périodique du HPLMN lorsque le mobile campe sur une cellule du réseau visité VPLMN. Cela permet de réduire la valeur Qrxlevmin/ Qqualmin et favoriser le critère du réseau home.

La détection d’une cellule est réalisée à partir des signaux de synchronisation PSS et SSS. A partir du PSS/SSS, le mobile récupère la valeur PCI (Physical Cell Identifier) de la station de base pour un RAT donnée. Ainsi, on peut déterminer une station de base à partir de son PCI et les cellules sur chacune des bandes auront le même indicateur PCI.

Pour voir un exemple de mesure, Cf article  https://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2024/03/06/les-identifiants-radios/

Note de M Lagrange : Utiliser le même PCI pour la même cellule et différentes bandes n’est pas obligatoire (Orange ne le faisait pas il y a encore quelques mois). Ce qui compte c’est le couple PCI-EARFNC

 

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/)

 

RSRP et RSRQ 2ème : Définition

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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 Handover 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 3G : Pour la 3G, le RSSI (Received Signal Strength Indicator) s’appuie sur la 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.

RSSI 4G (E-UTRA RSSI) : Pour la 4G, le RSSI représente la puissance totale mesurée par le mobile, sur toute la bande (Wideband) ou sur une bande de 6 PRB (Narrowband). La durée est paramétrable (par la couche supérieure) sur une sous-trame ou plusieurs sous-trames.

La puissance moyenne est mesurée par défaut sur l’antenne 0.

Ainsi, le signal mesuré comprend :

  • les symboles CRS de la cellule serveuse;
  • les symboles de trafic et de contrôle (canal PDSCH/PDCCH) de la cellule serveuse
  • les symboles de trafic/contrôle et CRS des cellules voisines.

La mesure est donc une moyenne linéaire des symboles OFDM de référence de la cellule serveuse sur la puissance totale (comprenant la puissance des signaux de référence, l’interférence co-canal de la cellule serveuse et les interférences des cellules voisines ; définition 3GPP – Document TS.36.214).

Definition : E-UTRA Received Signal Strength Indicator (RSSI), comprises the linear average of the total received power (in [W]) observed only in the configured OFDM symbol and in the measurement bandwidth over N number of resource blocks, by the UE from all sources, including co-channel serving and non-serving cells, adjacent channel interference, thermal noise etc.

Avant la R.12, la mesure de puissance n’est réalisée que sur l’antenne 0. A partir de la R.12, le choix de la mesure au niveau des antennes est paramétrable (par la couche supérieure mais par défaut la mesure est faite sur l’antenne 0).

Concernant la durée :

  • de quelques symboles de la sous trames ou de plusieurs sous trames consécutives;
  • de tous les symboles de la sous-trame ou de plusieurs sous-trames consécutives;
  • de tous les symboles de différentes sous-trames non consécutives.

TS 36.214 (R.12 et supérieure) Unless indicated otherwise by higher layers, RSSI is measured only from OFDM symbols containing reference symbols for antenna port 0 of measurement subframes. If higher layers indicate all OFDM symbols for performing RSRQ measurements, then RSSI is measured from all OFDM symbols of the DL part of measurement subframes. If higher-layers indicate certain subframes for performing RSRQ measurements, then RSSI is measured from all OFDM symbols of the DL part of the indicated subframes.

Pour récupérer cette valeur sur un modem, la commande AT à utiliser est AT+CSQ qui retourne la valeur RSSI.

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. 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.

Pour finir, un petit tableau récapitulatif

Avec des valeurs sur le RSSI (ASU – Active State Update est dérivé du RSSI) :

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

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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).

Au niveau du mobile, la mesure du RSRP permet au mobile d’estimer la puissance qui est reçu au niveau d’une station de base. La comparaison du RSRP de différentes stations de base permet au mobile de resélectionner la station de base serveuse en fonction des critères de sélection transmises dans le message SIB.

La mesure RSRQ mesure la qualité du signal et est utilisée par la station de base lors d’un Handover.

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 référence (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 référence 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 référence 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 :

 

Dans un prochain article, je vous expliquerai les notions RSRP, RSRQ et RSSI