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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*RSRP.

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 RSSI=12*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