Castle on a Cloud

在 UE 移動時，將會定期得知連線 (serving) eNB的訊號強度，若是小於一定數值 (Ssearch_intra)，則開始進行相鄰基地台 (target eNB) 的訊號強度量測 (Inter-neighbor measurement)。等到相鄰基地台的訊號強度比起服務 eNB 好上一定的數值 (Qhyst) 且持續一定時間 (Treselect)，才進行換手。其中，我們可以把流程列如下圖。 圖一、Reselection的門檻與流程 在進行 Inter-neighbor measurement 後，UE 將根據 S-criteria 找出可用的 (suitable) 基地台，並根據 R-criteria 找出最佳的基地台，假如最佳的基地台不是服務的 (serving) eNB 則進行換手。 S-criteria 和 R-criteria 可以藉由調整參數變化，舉例來說，Qhyst 就是在 R-criteria 中的參數，用來提升服務的 (serving) eNB 的優先權，避免由於訊號的通道遮蔽效應 (shadowing effect) 或是衰減 (fading) 所造成的暫態訊號變化影響換手。Treselect 則要求此訊號差值維持一段時間，若是未達 Treselect 則重新計時，這是用來避免比如說 UE 在兩個 eNB 邊緣之間游移所造成的高頻率換手，或者，我們也稱之為乒乓效應 (ping-pong effect)。 Qhyst 和 Treselect 的設定，事實上是換手次數與 UE 訊號品質的權衡 (trade-off)，較高的 Qhyst 與較長的 Treselect 將減少換手次數，但是 UE 必須忍受較低的訊號品質，且有因為訊號強度而斷線的風險。較低的 Qhyst 與較短的 Treselect 則提供較高的訊號品質，但是頻繁的換手，造成系統的負擔以及 UE 因為換手產生的延遲。

LTE Measurement Gap 是用以量測周圍基地台的訊號強度，藉以決定是否進行換手 (handover) 的基地台選擇。對於在相同頻帶 (intra-band) 一樣是LTE的訊號，只需要切換時間就可以進行量測，對於跨頻帶 (inter-band) 或是跨通訊系統 (inter-RAN) 的訊號量測，就需要 UE 硬體電路對於相對應的中心頻率 (center frequency)、頻寬 (bandwidth) 等硬體參數進行設置。 由於成本以及體積考量，在一個終端通訊裝置當中，通常所有共模的通訊晶片都共用相同的無線通訊模組 (RF module)，因此，在裝置設定與切換就需要保護時間 (guard time) 的設計，讓硬體能夠順利切換。在LTE標準 (TS 36.133) 中，提供兩種不同的設定值，分別是 GP 0 和 GP 1，如下表所示。 表一、Gap Pattern in LTE Network 當 UE 在 Measurement Gap 中時，eNB 不會和 UE 建立任何通訊，因此，UE 可以跳至目標頻帶與通訊系統進行訊號強度的量測，並在 Measurement Gap 結束後，跳回原有 eNB 進行傳輸。 考慮到不間斷的傳輸，因此，UE 和 eNB 必須先溝通好 Measurement Gap 的起始時間、長度與重複區間，這些資訊與參數透過 RRC Reconfiguration 中的 MeasGapConfig 進行設定。 其中，計算的方式如下所示：  SFN mod T = FLOOR (gapOffset/10);  Subframe= gapOffset mod 10;  where T = MGRP/10   其中，gapOffset、MGRP定義於表一。  SFN (System Frame Number) 則代表每一個frame的編號。

在通訊系統中，對於閒置的 UE，不太可能透過排程給予通訊資源。因此，當 UE 要和 eNB 建立連線時，就必須使用 Random Access Procedure (RAP)。在 LTE 中以下狀況需要藉由 RAP 取得通訊資源。 從 RRC idle 要初始化進行傳輸 RRC 連線的重建 UL 時，RRC 連線不同步或是沒有 PUCCH 資源 DL 進行時，UL 連線消失 換手 (Handover) 需要 Timing Advance 資訊 (定位需求) RAP 可分為競爭式 (contention-based) 或是非競爭式 (contention free)，競爭式 RAP 是由 UE 端發起對於 Preamble 的競爭，而非競爭式 RAP 則是 eNB 指派固定範圍的 Preamble，程序如下圖。其中，上述六種狀況中，前三種只能用競爭式，後三種可以用非競爭式，考慮到有限的 Preamble 位址，通常只有 Handover 進行非競爭式 RAP。 圖、RAP的流程 (http://xdxdd.blogspot.com/2012/08/lte-random-access-procedure.html) 非競爭式 RAP，Preamble 的位址直接由 eNB 指派，在競爭式 RAP 中，UE 根據所得到的系統資訊，從 64 個 Preamble 位址選一個出來競爭 (Msg1)，若是發生碰撞，則進行 backoff，若是成功，eNB 得知 UE 資訊，並且回覆 Random Access Response (RAR) 給 UE (Msg2)，其中，包含了TA (Timing Advance) 的資訊，用以同步 UE 與 eNB 間上行資料的傳輸時間，暫時的識別符號(Temporary C-RNTI)，以及上行通道資源 (UL Grant)。UE 收到 RAR 後，將把帶 UE 資訊的 ID 在 UL Grant 上傳，若是沒有其他 UE 在 Msg1 使用相同的 Preamble，UE 就競爭到 RAP 的通訊資源。

在UE開機後，要先藉由 PLMN 和 Cell Selection，選擇要使用的 eNB，並聽取 eNB 的系統資訊 (System Information，SI)，完成 UE 和 eNB 之間的同步。在 PLMN 和 Cell Selection 過程中，UE 會去聽取相鄰 eNB 的訊號、SI 以及訊號強度，並根據上述資訊選擇一個可以使用且訊號品質夠好的 eNB 進行 Attach Procedure。 圖一、Initial Access Procedure Attach Procedure 又分成以下動作： 先藉由 Random Access Procedure (RAP) 取得上傳資源(不在下圖中)，完成 RAP 後，UE 將送 RRC 連線需求以及 Attach Request (紅框)。 eNB 收到上述資訊，將把這些資訊送到HSS進行使用者認證的程序，並且將認證結果回覆eNB 和 UE，並且根據認證資訊，建立起加密訊息 (藍框)。 確認認證成功後，MME 主動和 S-GW 透過 GTP (GPRS Tunneling Protocol) 建立 Default Bearer，讓 UE 有封包傳送能力。之後，MME 將 Default Bearer 的訊息和 Attach Accept 訊息透過 eNB 傳送給 UE，此時將使用 GUTI 取代原本通訊時使用的 IMEI，保護 UE 的資訊。UE 將根據重新配置 RRC，包括：SRB1、SRB2 及 DRB，完成後，eNB 告訴 MME 關於 RRC 的設定完成(綠框)。在下圖中，省略了 eNB 和 UE 的封包傳輸中，連線能力的確認 (Capability Information) 以及加密模式的確認。 最後，UE傳送 Attach Complete，完成 Attach Procedure 流程，此時才可以啟用 Default Bearer。(橘框) 圖二、Attach Procedure 建立完 Default Bearer，接著要建立 Dedicated Bearer。建立 Dedicated Bearer 是在 UE 提出需求後(藍框)，由 MME 發起，由於已經有 Default Bearer 連線，因此，不必再有認證程序。主要的步驟重複在建立 D

資料傳送時會發生什麼樣的狀態轉變? 要如何解決上行傳送的問題? 對於 UE 而言，RRC (Radio Resource Control) 有兩種狀態，分別是：RRC_IDLE 以及RRC_CONNECTED。在 RRC_IDLE 的狀態下，UE 連上 LTE 系統並註冊，但是並沒有連線，此時，UE 會接收來自 eNB 的 paging (呼叫) 的訊息，用以得知接收下載的訊息，同時，UE 也會量測相鄰 cell 的訊號強度。在 RRC_CONNECTED 時，UE 建立 RRC 連線，此時，UE 除了 RRC_IDLE 時所要進行的量測外，還必須聆聽 Control Channel 上的訊息，並回報量測到的訊號品質 (channel quality)。 在 RRC_RRC_CONNECTED 下，又分成兩個狀態：OUT_OF_SYNC 和 IN_SYNC。由於尚未完成同步，UE 在 OUT_OF_SYNC 狀態下，只能夠接收下載資料，而不能夠上傳任何資訊。在 IN_SYNC 的狀態下，UE 可以進行資料的上傳與下載。若是過久沒有上傳資料，UE 的狀態將從 IN_SYNC 進入 OUT_OF_SYNC，此時，若是要重新進入 IN_SYNC 狀態，則必須重新進行 Random Access Procedure ，取得上傳資源，並進行同步。 上圖是 RRC 的狀態轉換圖，其中關於轉換的觸發條件列在下方： 建立 RRC 連線 釋放 RRC 連線 Random Access Procedure 過久沒有上傳資料

3GPP LTE 比較於 3GPP Release 6 HSPA 在 RLC AM 和 HARQ上有什麼優勢? LTE HSPA 在 LTE 中，RLC 和 HARQ 都在eNB 上實作，可以有更緊密的互動。 在 HSPA 中，雖然也引入了 HARQ 的機制，但是 RLC 重傳的機制在 RNC (Radio Network Controller)上實作，導致較高的延遲。 若有一即時視訊影像傳輸需用 LTE 傳送，具備服務品質需求 Delay bound=300ms，Packet loss ratio≤10-4，請說明從 TCP/IP 層 (TCP/UDP)、RLC 層 (AM/UM) 到 MAC 層 (HARQ) 應該選用什麼樣的重傳機制組合?並說明為什麼?  RLC (Radio Link Control) 在 MAC 層之上，其主要目的有三：確保封包順序、移除重覆封包與重傳、封包的切割與重組。在這裡，我們將專注於 RLC 層中封包的重傳機制。在 RLC 層中分成三種操作模式： Acknowledged Mode (AM) Unacknowledged Mode (UM) Transparent Mode (TM) 其中只有在 AM 下，RLC 對封包進行重傳。 重傳封包可以降低錯誤濾，但是將增加資料傳送的延遲。考慮到不同服務中，封包的延遲與錯誤率限制，我們可以把各種服務的適用性製作如下表： Delay long short Channel (error rate) good bad good bad RLC AM ON ON OFF Cond. ON HARQ X X ON ON 由於上表只列出了相對應的比較，為了瞭解一個服務在 LTE 網路中延遲和錯誤率的相對應關係，我們列出 LTE 網路中各項服務的 QoS 要求列表如下： LTE QCI Resource Type Priority Packet Delay Budget Packet Error Loss Rate Example Services QCI-1 GBR 2 100ms 10 -2 Conversational voice QCI-2 4 150ms 10 -3 live streaming of conversational voice QCI-3 3 50ms Real time ga

LTE Frame Structure中 T f =10ms其數值背後的依據為何? 在 LTE 系統中，使用 OFDMA 作為調變技術，其中，每一個子載波(sub-carrier)的頻寬為15kHz。考慮到 FFT 最大的取樣數值為 2048 點， T s 為每一個 FFT symbol 的時間間隔。 T s = Time Unit = 1 5kHz×2048 接著，我們把 15360 個 T s 當作一個 T slot ，因此 T slot 的長度為 0.5ms。 T slot = 15360× T s = 0.5ms 對於 OFDMA 系統而言，必須要有 cyclic period (CP) 來保護所傳送的訊號，減少訊號之間的相互干擾。在 T slot 中，也就是一個 sub-frame (slot) 中，定義了 CP 和傳送信號的時間分佈，其中，第一個 CP 長 160 個 T s ，其他的 CP 長為 144 個 T s ，而一個 OFDM symbol 長 2048 個 T s 。因此， 160+2048×7+144×6=15360 。 20 個 T slot 作為一個 T f ，也就是10ms。其中，每兩個 T slot 又被稱為一個 T subframe ，時間長度為1ms，也是在LTE系統中，排程 (scheduling) 的基本時間單元。 T f = 20× T slot = 10 ( ms ) , T subframe = 2× T slot = 1 (ms) 下圖是LTE中，各時間單位的相關性，圖片取自於3GPP TS 36.211文件的Figure 4.1-1。關於frame的結構和時間定義主要敘述於該文件的第四節。 Figure 4.1-1: Frame structure type 1 (TS 36.211) 在 TD-LTE 中，額外定義了 half-frame 的時間單元，每一個 half-frame 是 5ms，包含 10 個 T slot 。因此，在一個 frame time 中，有 2 個 half-frame。考慮到硬體在傳送和接收上共用同一個射頻電路，因此，在 TDD 模式下為了硬體的切換時間，在 TDD-LTE 中，使用了 T slot 作為保護區間 (Gua