發表文章

[5GNR] 3GPP URLLC 的進展

圖片
[摘錄自 簡均哲博士 於交大的演講]

URLLC 為 3GPP 在 5G 標準中定義的一種型態,
全名為: Ultra-Reliable and Low Latency Communications,
分成兩項: Reliable (可靠性) 以及 Low Latency (低延遲),
主要應用的範圍可以是: AR/VR, 或是車聯網的應用,

在 3GPP R15 至 R16 的演進中, 可以總結於下圖:
URLLC R15 和 R16 的技術演進
在這張圖中, 說明了 R15 和 R16 的技術差異,
其中, 相較於 R15 URLLC 的標準,
在 R16 中, 除了延遲的縮減從 10ms 到 1ms 之外,
特別著重在傳送效率以及高可靠性上, 增加其適合的應用場域.

URLLC 使用以下的技術來達成低延遲與高可靠性:

更彈性的傳送架構: 引入 mini-slot 和不同優先權, 彈性配置傳送資源預先的資源保留: 為突發的傳送需求, 提供預先的傳送資源配置冗於的傳送機制: 同一筆資料來自於多個來源, 傳送多次, 來保證可靠性 透過上述技術, URLLC 可以用於以下的 Use Cases R15: AR/VR 的低延遲傳輸R16: Factory automation, Transport Industry, Electrical Power Distribution 下圖列出三個應用案例的需求:
相較 R15 專注在一個 UE, 且在單純的 URLLC 下通訊, 在 R16 中, 更重視多個 UE 之間的資源分配,
或是在 URLLC 和 eMBB (Enhanced Mobile Broadband, eMBB) 共存的環境,
可以用於像是工廠自動化這種複雜的環境,

為了解上述問題, R16 希望可以把 URLLC 和 eMBB 分開,
並賦予優先權, 使 URLLC 的傳輸可以較快被服務.
同時, 也要增加 UE 的能力, 使 UE 有較好的能力 monitor 通道的 DCI,
可以較快取得傳輸的機會,

在增加冗餘保證可靠性的改善上, URLLC 有兩種做法:
第一, 可以用較低的 code rate 來傳送, 降低封包錯誤機率,
此方法有較高的通道使用效率, 但是延遲較長
第二, 對於較短的資訊, 則用重複的方式來確保可靠性,
此方法有時造成傳送資源的浪…

[BLE] 不同的 Advertising 種類與用途

圖片
在 BLE 通訊協定中,
BLE 裝置透過 Advertising 告知周邊 BLE 裝置自己的存在,
其中, 考慮到 WiFi 的干擾,
Advertising 封包在以下 3 個 bluetooth channel 上廣播:
channel 37 (2402 MHz), channel 38 (2426 MHz), 和 channel 39 (2480 MHz),
我們可以利用下圖來了解其中干擾的關係:

來自: https://www.infsoft.com/technology/sensors/bluetooth-low-energy-beacons
對於 connection 之後的資料傳輸,
則使用其他 bluetooth channel 進行通訊,
並藉由展頻通訊 (跳頻) 的方法, 對抗 WiFi 通訊產生的干擾,

透過不同的通訊目標, BLE 設計了 4 種不同的 advertising 的方式,
如下表所示:
Advertising PDUDescriptionMax Adv Data LenMax Scan Res LenAllow ConnectADV_INDUsed to send connectable undirected advertisement31 bytes31 bytesYesADV_DIRECT_INDUsed to send connectable directed advertisementN/AN/AYesADV_SCAN_INDUsed to send scannable undirected advertisement31 bytes31 bytesNoADV_NONCONN_INDUsed to send non-connectable undirected advertisement31 bytesN/ANo(來自: Bluetooth Low Energy Scanning and Advertising)
Advertising Data (Adv Data) 代表在 advertising 封包中自帶的資訊,
在 BLE 中, 此資料的長度為 31 bytes.
更多的資訊可以透過 Scan Request (Scan Res) 像發送端要求,
若發送端有支援, 則可以附加額外 31 bytes 的資訊.

[BLE] State Machine and GAP Roles

圖片
在一般 BLE 裝置中, 不同的連線階段也扮演不同角色,
一般來說, 可以分成這四種 GAP Roles:

GAP RoleDescriptionBROADCASTERA device that only sends advertising events.OBSERVERA device that only receives advertising events.PERIPHERALA device that accepts the establishment of an LE physical link using the connection establishment procedure.CENTRALA device that supports the Central role initiates the establishment of a physical connection. (來自: Bluetooth Low Energy Scanning and Advertising)
其中, Broadcaster 和 Observer 為一對, 進行 adverting 通訊,
Peripheral 和 Central 為一對, 進行資料傳輸,
為了表示此 4 種 GAP 腳色, BLE 可以表示為以下狀態機 (State Machine) 的轉換:

來自: https://iot.electronicsforu.com/expert-opinion/improving-battery-life-in-bluetooth-low-energy-connected-things-part-2/
其中, 我們可以看到 Connection 和 Advertising 分屬不同的狀態,
以 one-hot state machine 的概念來說, 在一個時間內應只屬於一個狀態,
至於上述 4 個 GAP Role 則使用了狀態機不同的部分,
如下圖所示:

來自: https://iot.electronicsforu.com/expert-opinion/improving-battery-life-in-bluetooth-low-energy-connected-things-part-2/
其中, Peripheral 和 Central 此對連線, 多…

LTE 筆記: lean carrier and reference signals

圖片
在過去的 LTE 系統中, 主要有兩種不同的 REF signal,
也就是: PSS (Primary Synchronization Sequence) 和 SSS (Secondary Synchronization Sequence),
這兩個訊號除了進行同步之外, 也幫助 UE 搜索並辨識基地台,
相關資料, 可以參考: https://note-on-clouds.blogspot.com/2017/12/lte-sync-cellsearching.html
除了 PSS 和 SSS 之外, 還有一種在傳輸中重複出現的訊號,
用以進行下行的通道估測, 稱為: Cell-Specific Reference Signal (CRS)

CRS 訊號會按照一固定模式在 frame 中重複出現,
如下圖所示:
來自: C. Hoymann, D. Larsson, H. Koorapaty and J. Cheng, "A Lean Carrier for LTE," in IEEE Communications Magazine, vol. 51, no. 2, pp. 74-80, February 2013.
這樣的架構, 理所當然地讓基地台必須持續傳送 CRS 訊號,
雖然可以提供下行通道的良好估測, 但也使基地台無法省下傳送能源,
事實上, 對於基地台而言, 省電的議題一直以來都不是優先考慮的項目,
畢竟, 對於大基地台 (marco eNB) 的應用情境, 基地台通常是接電, 全功率服務,
同時, 考慮到覆蓋範圍, 基地台的休眠機制, 也未曾列入考量範圍.

然而, 針對 5G NR 的應用情境, 大量的小基地台加入提供異質的接取,
此時, 繁雜的 CRS 訊號不只造成基地台無法休眠, 進而產生能源的浪費,
也造成了小基地台之間嚴重的相互干擾,
因此, 在 5G NR 的 lean carrier 的機制中, 取消了 CRS 訊號的傳輸,
取而代之的, 加入了 extended synchronization signal (eSS),
如下圖所示:
來自: C. Hoymann, D. Larsson, H. Koorapaty and J. Cheng, "A Lean Carrier for LTE,"…

LTE筆記: Multiple Numerology and Mini-Slot in 5G NR

圖片
在 5G NR 中, Numerology 這個詞語對應於 Frame Structure,
這個詞語的中文意義有點難以翻譯, 直譯為: 數秘術,
在 Wiki 百科中的定義為:
數秘術, 是指物象化成數字的占卜, 如姓名學是用筆畫數.

這個字詞的來源許久, 可以追朔到希臘哲學,
當時, 數學, 宇宙學, 對世界的解釋, 是被連結在一起的,
考慮到數學的簡潔性, 許多哲學學派, 如畢達哥拉斯學派,
就將數字和宇宙的美感連結在一起,
並嘗試用數字來解釋觀察到的一切,

這樣的嘗試, 等於是將現實世界的觀察, 塞入一個理想模型中,
考慮到真實世界的不完美性, 以及一些錯誤假設的模型,
這樣的詮釋漸漸走入神祕主義, 也從科學術語, 過渡成占卜術的術語,
現在常見的搜尋結果, 就和生命靈數, 姓名筆畫等, 有較多的連結,
這也是一種術語的不可共量性,

好吧, 雖然這裡有許多故事可以說, 但我們還是回到 5G NR 的系統,
在 5G NR 中, 定義了 5 種不同的子載波 (sub-carrier) 間隔,
分別是: 15 KHz, 30 KHz, 60 KHz, 120 KHz 和 240 KHz.
相較於 4G LTE 網路只有一種間隔 (15 KHz),
5G NR 考慮到不同的頻帶特性 (sub-6 GHz, 28 GHz) 定義不同的間隔,
如下圖所示:

來自: https://www.slideshare.net/3G4GLtd/beginners-5g-numerology
在上圖中, 我們可以看到, 對應於不同的頻帶有不同的子載波間隔,
最小的數值為 15 KHz, 之後為 2^n 的倍率成長,
15 KHz 的選用主要是和 4G LTE 向下相容,
同時, 考慮到 4G LTE 所使用的頻帶為 700 MHz,
等效可以拿到的頻寬資源較少, 使用 15 KHz 可以增加頻帶的利用效率,
對於較高頻的通訊而言, 較大的子載波間隔可以提供較短的時間延遲,
並減少 FFT 電路設計上的要求.

關於 4G LTE 的相關文章, 可以參考:
https://note-on-clouds.blogspot.com/2015/12/lte-frame-time.html

雖然子載波間隔改變, 但 5G NR 在時間的切分上,
一個 frame 仍是 10 ms, 一個 s…

LTE筆記: 5G 的起始點

圖片
[改寫自 itcom 2019 陳儒雅博士的演講]

2020 年, 被描述為 5G 的元年,
隨著越來越多的裝置以及網路布建成形,
5G 網路的上線, 對於大眾來說, 似乎是近在眼前,
但對於學術界來說, 卻也是一個好時機來檢視電信研究的發展,
所謂的 5G 網路, 和我們之前討論/想像的 5G 網路有甚麼差別?

來自: https://www.slideshare.net/DrDavidSoldani/soldani-the-pathto5gvtcspring2017final
根據 roadmap, 我們可以看到原本三位一體的 5G 網路: eMBB, URLLC, mMTC,
將專注在前兩項 (尤其是 eMBB, 也就是電信網路的部分),
主要仍是透過提高傳輸速度, 提供給使用者高速的上網體驗,
這部分也和我們目前看到的 5G 宣傳符合,
例如: 高傳輸率, eMBB (連結), 低延遲性 URLLC (連結)
至於 mMTC 則先交由 NB-IoT 來進行.

在技術項上, 則從三方面提出改進:

頻譜利用效率: Massive MIMO, channel coding, mini slot, lean carrier
其中, 前兩項是 phy 層直觀的改進, mini slot 對應於 low latency 的應用,
lean carrier 修改了 MAC 層的機制,  取消 REF signal, 會產生比較有趣的改變頻譜延伸: sub-6G, mmWave (28 GHz, 39 GHz)
針對 mmWave, 我們需要 beam sweeping,
增加頻寬從 20 MHz -> 100 MHz, 並加入省電的機制 (bandwidth parts)
以及針對變動的頻寬不同的調變技術 (multiple numerologies)網路密集化: 小基地台與不同接取技術 (RAT) 的整合
4G / 5G 的共存, 小基地台的布建與基地台間的協作   其中, 值得注意的是, New Waveform 和 NOMA 不含於這次的標準中, 原因就是, 雖然在理論上有改善, 但實務上卻沒有顯著性, 作為學術界的一員, 雖然沒有參與 NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) 的研究, 但是, 看著之前研究 NOMA 的風潮, 也不免…

[BLE 5.0] BLE MESH Network 簡介

圖片
在過往的 BLE 應用中, 其網路架構為點對點通訊,
換句話說,  藍牙連線的兩端, 為 master - client 的架構,
對於這樣的通訊連線, 兩個裝置在進行連線的開始,
會先藉由在特定頻帶上的廣播訊息 (advertising), 取得連線的需求,
先交換雙方跳頻序列 (hopping sequence),
為之後展頻通訊進行準備.

考慮到 BLE 的架構, 連線兩端分享共同的 hopping sequence,
在此通訊框架上, 難以擴展成廣播, 或是一對多通訊的模式,
在舊有的 BLE 星狀網路 (star network) 中,
雖然支援一對多的網路架構, 但對 master 節點來說負擔頗重,
對於多個 client 連線時, 也會導致資源分配下降,

在 2017 年, BLE 也提出了 Mesh 的架構,
其主要的想法在於: 透過廣播訊息和 relay 方法,
將傳輸資料從原始節點擴散出去, 如下圖所示:

https://wiki.makerdiary.com/nrf52832-mdk/mesh/
考慮到 BLE 的特性,
我們可以看到所有的節點必須分享相同的 hopping sequence,
同時, 節點 (Ndoe) 透過廣播 (ADV bearer) 將資訊傳出,
接著, 這些資訊再透過 Relay 節點 (Relay Node) 把資訊向外轉傳,
轉傳的數量, 則透過 TTL (time-to-life) 來限制轉傳的次數,
此流程稱為 message flooding.

此方法可以方便的建立一個 BLE 區域網路,
特別適用於智慧家庭等應用環境, 而無須特別針對裝置連線設定,
然而, 另一方面, 則會犧牲了傳送的 throughput,
對於大量的資訊流量而言, 也將因為相同的 hopping sequence,
而產生如 WiFi 般封包碰撞的問題, 而減損的展頻通訊抗干擾的能力,
比較適合 IoT 網路中, 小資訊的資訊 (如: 溫度, 狀態等) 回報.