Analýza rádiového rozhraní a signalizace v LTE a 5G NR

(1)

Analýza rádiového rozhraní a signalizace v LTE a 5G NR

Radio Interface and Signalling Analysis in LTE and 5G NR

Milan Gliganič

Bakalářská práce

Vedoucí práce: Ing. Libor Michalek, Ph.D.

(2)

Abstrakt

Tato bakalářšká práce se zabývá signalizací ve 4G a 5G NR sítích a jejich analýzou. Samotná signalizace ve vzdušném prostředí mezi mobilním zařizením a vysílačem je zachycena pomocí nástroje Keysight Nemo Outdoor Drive Test Solution. Data zachycená nástrojem Keysight Nemo Outdoor jsou následně analyzována. Na začátek je popsána práce s nástrojem Keysight Nemo Outdoor. Ná- sleduje teoretický popis průběhu zaznamenané signalizace. Naměřená data ze 4G a 5G NR sítí obsahují signalizaci při prvotním přihlášení mobilního zařízení do sítě a také signalizaci při přenosu dat. Práce obsahuje dvě zadání pro odborný předmět. Zadání se zaměřují na signalizaci ve 4G a 5G NR sítích. V závěru práce jsou obsaženy výsledky z provedené analýzy.

Klíčová slova

Analýza signalizace; Nemo Outdoor; LTE; 5G NR

Abstract

This bachelor thesis is focused on 4G and 5G NR network signalling and it’s analysis. The signalling itself in air environment between mobile device and transmitter is then captured in Keysight Nemo Outdoor Drive Test Solution tool. Data captured by Keysight Nemo Outdoor tool are analyzed afterwards. First of all, the work with Keysight Nemo Outdoor tool is described. The work description is followed by teoretical description of captured signalization. Captured data from 4G and 5G NR networks contain signalling of the first registration in mobile network and also signalling when data are transfered. This bachelor thesis includes two assignments for technical subject. Assignments are focused on 4G and 5G NR signalling. Results of analyzed signalling are included in conclusion.

Keywords

Signalling analysis; Nemo Outdoor; LTE; 5G NR

(3)

Poděkování

Rád bych poděkoval Ing. Liboru Michalkovi, Ph.D. za odbornou pomoc a konzultaci při vytváření této bakalářské práce.

(4)

Obsah

Seznam použitých symbolů a zkratek 6

Seznam obrázků 9

1 Úvod 11

2 Základy práce s nástrojem Nemo Outdoor 12

2.1 Prostředí Nemo Outdoor . . . 12

2.2 Připojení telefonního zařízení . . . 12

2.3 Hlavní okno Nemo Outdoor . . . 13

2.4 Rychlý přístup . . . 13

2.5 Home . . . 14

2.6 Data Windows . . . 15

2.7 Measurement . . . 17

2.8 Script Editor . . . 18

2.9 Settings . . . 18

2.10 View . . . 19

2.11 Devices . . . 20

2.12 Services, Options a Parameters . . . 21

2.13 Output . . . 21

2.14 Pracovní plocha . . . 22

2.15 Vytvoření grafu . . . 23

2.16 Device Status . . . 24

3 Zadání první úlohy 25 3.1 Analýza Attach procedury . . . 25

3.2 Postup . . . 25

3.3 Signalizace 5G NR(NSA) . . . 27

3.4 RRC Connection Request . . . 28

3.5 RRC Connection Setup . . . 28

(5)

3.6 RRC Connection Setup Complete . . . 28

3.7 ATTACH REQUEST . . . 29

3.8 UECapabilityEnquiry . . . 29

3.9 UECapabilityInformation . . . 30

3.10 Security Mode Command . . . 30

3.11 Security Mode Complete . . . 31

3.12 RRC Connection Reconfiguration . . . 31

3.13 RRC Connection Reconfiguration Complete . . . 31

3.14 RRC Connection Reconfiguration Message . . . 31

3.15 ATTACH ACCEPT . . . 32

4 Zadání druhé úlohy 33 4.1 Analýza signalizace při přenosu dat v 5G NR . . . 33

4.2 Postup . . . 33

4.3 Data flow 5G . . . 34

4.4 CELLMEAS . . . 35

4.5 TXPC . . . 37

4.6 DCI . . . 37

4.7 PLAI . . . 38

4.8 CQI . . . 39

4.9 PMI . . . 39

4.10 Dodatečné zprávy . . . 40

5 Závěr a vyhodnocení práce 43

Literatura 44

Přílohy 45

A Signalizační zprávy 46

(6)

Seznam použitých zkratek a symbolů

3GPP – 3rd Generation Partnership Project

5G NR – 5th Generation New Radio

ARFCN – Absolute Radio-Frequency Channel Number

AS – Access Stratum

BLER – Block Error Rate

BWP – Bandwidth Part

CCCH – Common Control Channel

CCE – Control Channel Element

COM – Communication Port

CQI – Channel Quality Indicator

CSI – Channel State Information

CW – Continuous Wave

DCCH – Dedicated Control Channel

DL – Download

DRX – Discontinuous Reception

DCI – Downlink Control Information

E-UTRA – Evolved Universal Terrestrial Radio Access

eNodeB – Evolved Node B

EPS – Evolved Packet System

ESM – EPS Session Management

ETSI – European Telecommunications Standards Institute

FDD – Frequency Division Duplex

GERAN – GSM EDGE Radio Access Network

gNodeB – Next Generation Node B

GSM – Global System for Mobile Communications GUTI – Globally Unique Temporary Identifier

ID – Identification

IMEI – International Mobile Equipment Identity

(7)

IMSI – International Mobile Subscriber Identity

IoT – Internet of Things

IP – Internet Protocol

LTE – Long-Term Evolution

MAC – Media Access Control

MCC – Mobile Country Code

MCS – Modulation and Coding Scheme

MIMO – Multiple Input Multiple Output

MME – Mobility Management Entity

MNC – Mobile Network Code

NAS – Non-access Stratum

NATA – Nemo Active Testing Application

NSA – Non-Standalone

PCCH – Packed Common Control Channel

PDCP – Packet Data Convergence Protocol

PDN – Packet Data Network

PDSCH – Physical Downlink Shared Channel

PGW – Packet Data Network Gateway

PH – Physical Channel

PLAID – Packet Link Adaptation Info for Downlink PLAIU – Packet Link Adaptation Info for Uplink

PMI – Precoding Matrix Indicator

PPP – Point-to-Point Protocol

PRB – Physical Resource Block

PUCCH – Physical Uplink Control Channel PUSCH – Physical Uplink Shared Channel

QAM – Quadrature Amplitude Modulation

QoS – Quality of Service

RB – Resource Block

RLC – Radio Link Control

RRC – Radio Resource Control

RSRP – Reference Signal Received Power RSRQ – Reference Signal Received Quality RSSI – Received Signal Strength Indicator

S-TMSI – Serving Temporary Mobile Subscriber Identity

SGW – Serving Gateway

SINR – Signal to Interference plus Noise Ratio

SRB – Signalling Radio Bearer

(8)

SRS – Sounding Reference Signal

TAI – Tracking Area Identity

TDD – Time Division Duplex

TS – Technical Specification

TXPC – Transmit Power Control

UE – User Equipment

UL – Upload

UMTS – Universal Mobile Telecommunications System

USB – Universal Serial Bus

UTRA – Universal Terrestrial Radio Access

WB – WideBand

(9)

Seznam obrázků

2.1 Okno Welcome to Nemo Outdoor . . . 12

2.2 Prostředí Nemo Outdoor . . . 13

2.3 Lišta rychlého přístupu . . . 13

2.4 Okno záložky Home . . . 15

2.5 Okno záložky Data Windows . . . 16

2.6 Okno záložky Measurement . . . 17

2.7 Okno Script Editor . . . 18

2.8 Okno záložky Settings . . . 19

2.9 Okno záložky View . . . 20

2.10 Okno Devices . . . 20

2.11 Okna tabulek Services, Options a Parameters . . . 21

2.12 Okno Output . . . 21

2.13 Hlavní okno pracovní plochy . . . 22

2.14 Vyskakovací menu pracovní plochy . . . 22

2.15 Záložka pro vytvoření okna Events Grid . . . 23

2.16 Okno New Layer . . . 23

2.17 Pracovní plocha s oknem Line Graph . . . 24

2.18 Okno Device Status . . . 24

3.1 Časový průběh procedury Attach . . . 27

4.1 Sekvence zpráv při přenosu dat . . . 34

4.2 Signalizační zpráva Cell measurement . . . 35

4.3 Signalizační zpráva TX power control . . . 37

4.4 Signalizační zpráva Downlink control information . . . 37

4.5 Signalizační zpráva Packet Link Adaptation Info for Down/Up link . . . 38

4.6 Signalizační zpráva Channel Quality Indicator . . . 39

4.7 Signalizační zpráva Precoding Matrix Indicator . . . 39

4.8 Signalizační zpráva PH Rate Down/Up load . . . 40

(10)

4.9 Signalizační zpráva MAC Rate Down/Up load . . . 40

4.10 Signalizační zpráva RLC Rate Down/Up load . . . 41

4.11 Signalizační zpráva PDCP Rate Down/Up load . . . 41

4.12 Signalizační zpráva PPP Rate . . . 42

(11)

Kapitola 1

Úvod

V této bakalářské práci je zpracováno téma analýzy rádiového rozhraní a signalizace v LTE a 5G NR pomocí nástroje Nemo Outdoor Drive Test Solution. Téma jsem si vybral z důvodu zájmu o rádiové sítě a o rychle se rozvíjející novou technologii 5G NR. V druhé kapitole je popsána práce s nástrojem Nemo Outdoor Drive Test Solution, který mi byl poskytnut společně s mobilním zařízením OnePlus 7 Pro 5G pro účely měření a zachytávání signalizace v univerzitní laboratoři. Pro účely měření byla využita pilotní kampusová síť 5G NR. Ve třetí a čtvrté kapitole jsou následně obsaženy dvě zadání pro odborný předmět Rádiové Sítě II. V těchto kapitolách jsou zárověň obsaženy také úvodní informace k 5G NR NSA signalizaci a poté jsou zprávy z vybraných úloh jednotlivě popsány a jejich nejdůležitější části zahrnuty do samotné práce. První ze dvou úloh je zaměřena na prvotní příhlášení do sítě a komunikaci uživatelského zařízení se základovou stanicí při vyjednávání spojení a upřesňování parametrů a požadavků pro navázání úspěšného spojení. Druhá úloha se poté zaměřuje na přenos dat v pilotní síti 5G NR a na analýzu přenášených zpráv. Každá úloha obsahuje zadání a postup s odkazy na části v této bakalářské práci. V závěru se nachází shrnutí a vyhodnocení výsledků získaných při zpracovávání této bakalářské práce.

(12)

Kapitola 2

Základy práce s nástrojem Nemo Outdoor

2.1 Prostředí Nemo Outdoor

Tato kapitola je zameřena na popis práce s nástrojem Nemo Outdoor. V následujících podkapitolách jsou jednotlivě popsány všechny důležité záložky a nastavení, které se v Nemo Outdoor nacházejí.

2.2 Připojení telefonního zařízení

Při prvotním spuštění se nám zobrazí uvítací okno, ve kterém si můžeme zvolit z několika možností, můžeme zvolit vytvoření konfigurace pro nové zařízení, otevřít uloženou hardwarovou konfiguraci nebo načíst měření. Dále je k dispozici také volba pracovní plochy a volba příslušného USB portu, v našem případě tedy COM3 a zařízení Qualcomm NATA, pokračujeme stisknutím Start Devices, které nám spustí vybrané zařízení a dostaneme se do hlavního okna programu.

Obrázek 2.1: Okno Welcome to Nemo Outdoor

(13)

2.3 Hlavní okno Nemo Outdoor

Pro přehlednou práci s tímto nástrojem je hlavní okno rozděleno do 5 částí. První z nich je záložka menu, ve které se nachází 5 podoken, v každém z nich je několik tlačítek s funkcemi, které se vztahují k příslušnému podoknu.

Obrázek 2.2: Prostředí Nemo Outdoor

2.4 Rychlý přístup

Jednou z dalších možností je využití tzv. rychlého přístupu, který se nachází v levém horním rohu spolu s otevírací lištou, která obsahuje vybrané funkce z menu. Rychlý přístup obsahuje základní funkce jako přepnutí z offline do online režimu a naopak, spuštění skriptu, zahájení nahrávání, pokračování, pauzu a konec nahrávání. Lišta rychlého přístupu vypadá následovně:

Obrázek 2.3: Lišta rychlého přístupu

Po kliknutí na ikonu s obrázkem vysílače, se zobrazí lišta, ve které najdeme další užitečné funkce.

(14)

2.5 Home

Jako první z podoken menu je tlačítko Home, ve kterém se nachází následující tlačítka:

• Devices

– Go Online/Offline Mode - umožňuje přepnutí nástroje do online/offline režimu – Autodetect - automatické vyhledání připojeného zařízení

– Add - manuální přidání připojeného zařízení – Remove - odebrání připojeného zařízení

• Script

– Start - možnost spuštění vybraného skriptu

• Recording

– Start - možnost spuštění nahrávání aktuálního měření – Pause - pozastavení nahrávání

– Stop - zastavení nahrávání

• Hardware Configuration

– New - umožňuje vytvořit novou konfiguraci hardwaru – Open - otevření již vytvořené hardwarové konfigurace – Save - uložení hardwarové konfigurace

• Measurement

– Open - umožňuje otevření souboru se záznamem měření – Close - zavření souboru se záznamem měření

– Export - export souboru se záznamem měření

• Workspace

– New - umožňuje vytvořit novou pracovní plochu

– Open - otevření již vytvořené pracovní plochy, zde se nachází také předpřipravené pra- covní plochy, které obsahují komplexní složení všech oken potřebných pro konkretní apli- kaci

– Save - uložení aktuální pracovní plochy

(15)

• Marker/Note

– Add Marker - umožňuje přidat značku

– Add Textual Note - přidání textové poznámky

Obrázek 2.4: Okno záložky Home

2.6 Data Windows

Následuje záložka s názvem Data Windows, ve které se nacházejí veškeré okna a jejich nastavení, umožnující zobrazit naměřené data, jednotlivé tlačítka vypadají následovně:

• Custom Windows

– Open - umožňuje otevřít vlastní okno v pracovní ploše z uloženého souboru – Save - uložení vytvořeného okna v pracovní ploše

– Properties - vlastnosti vytvořeného okna

• Graph

– New - umožňuje vytvořit nový graf z výběru

– Open - otevření grafu z předem vytvořených šablon pro grafy

• Grid

– New - umožňuje vytvořit novou mřížku z výběru

– Open - otevření mřížky z předem vytvořených šablon pro mřížky

• Indoor(nepodporováno v naší licenci)

– New - umožňuje vytvořit nové okno pro měření uvnitř – Open - otevření vytvořeného okna pro měření uvnitř

• Map

– New - umožňuje vytvoření nové mapy – Open - otevření vytvořené mapy

(16)

• Edit

– Copy - umožňuje kopírovat údaje/data – Find - hledání údajů/dat

• Images

– Save As Image - umožňuje uložit naměřené data nebo grafy jako obrázek

– Export - exportování naměřených dat/grafů do Microsoft Word/PowerPoint/Excel

Obrázek 2.5: Okno záložky Data Windows

(17)

2.7 Measurement

Jako další záložka kterou máme k dispozici, je záložka Measurement která nám poskytuje mož- nosti vytvořit a spustit různé skripty a sekvence měření, které si můžeme sami navolit. V této záložce se nacházejí následující tlačítka:

• Script

– Measurement List - umožňuje otevřít seznam probíhajících měření – Start - spuštění vybraného skriptu

– Script Editor - úprava skriptu

– Script Status Windows - volba ve kterém okně zobrazuje stav skriptu

• Call Sequence

– Call Sequence Editor - umožňuje upravit volanou sekvenci

– Call Sequence Server Settings - nastavení serveru pro volanou sekvenci

• Device Commands

– Clear Data Buffers - vyčistění vyrovnávací paměti

• Indoor

– Go to Indoor Mode - spuštění režimu pro vnitřní použití

Obrázek 2.6: Okno záložky Measurement

(18)

2.8 Script Editor

Editor skriptů vypadá následovně a umožňuje nám ze seznamu zvolit položky které se mají postupně spouštět při měření:

Obrázek 2.7: Okno Script Editor

Existuje možnost vytvoření vlastního skriptu a volby jednotlivých úkolů které se při jeho spuštění mají provést, nebo lze využít již vytvořených ukázek, což můžeme vidět na obrázku 2.7..

2.9 Settings

Následující záložka s názvem Settings obsahuje všechna nastavení které máme jakožto uživatel k dispozici. Tato záložka obsahuje i některé možnosti které se nacházejí v předchozích záložkách, například Call Sequence Editor, Call Sequence Server Settings a Script Editor. Dále se v záložce nacházejí :

• Configuration Manager - otevření správce konfigurace

(19)

• Color Set Editor - Editor barevných nastavení pro jednotlivé parametry

• Measurement Profiles - umožňuje uložit meřící profily pro jednotlivé zařízení, obsahují veškeré nastavení k realizaci měření

• Nemo Server Settings - nastavení testovacího serveru Nemo

• Notification Manager - správce upozornění

• User Parameters - uživatelské parametry

• User Interface Properties - vlastnosti uživatelského prostředí

• Windows Device Manager - otevření Správce zařízení Windows

• Windows Network and Sharing Center - otevření centra síťových připojení a sdílení

• Import - umožňuje importovat uživatelská nastavení ze souboru

• Export - export uživatelských nastavení a uložení do souboru

Obrázek 2.8: Okno záložky Settings

2.10 View

Poslední záložka v horním panelu s názvem Viewnám umožňuje přizpůsobit vzhled uživatelského prostředí, nachází se zde výběř jednotlivých oken, zaškrtnutím políčka vedle jejich názvu je zobra- zíme. Můžeme také v podokně View Groups vytvořit, smazat nebo přejmenovat zobrazenou skupinu oken, a to pomocí tlačítek New, Delete a Rename. Lze také naráz zavřít více skupin pomocí tlačítka Close, aktivovat režim celé obrazovky pomocí Full Screen, nebo zobrazit vlastnosti okna pomocí Window Properties.

(20)

Obrázek 2.9: Okno záložky View

2.11 Devices

Dalším oknem které najdeme na hlavní obrazovce Nemo Outdoor je okno Devices, ve kterém se nachází seznam připojených zařízení a některé základní funkce pro práci s nimi.

• Measurement Control - umožnuje ovládání měření na připojeném zařízení

• Measurement Settings - nastavení parametrů pro měření a také všechny nastavení spojené s konkrétním zařízením

• Device Connection Settings - nastavení spojení se zařízením

• Device Notification Settings - nastavení upozornění na jednotlivé proběhlé akce

• Device Script Settings - nastavení skriptu pro zařízení

• Start/stop script state for selected devices - spuštení/zastavení skriptu v určitém stavu pro zvolená zařízení

• Group devices by - seřazení připojených zařízení do skupin podle vybraných parametrů

Obrázek 2.10: Okno Devices

(21)

2.12 Services, Options a Parameters

Následně se pod oknemDevicesnachází okno s volitelnými tabulkami, jedná se o tabulkyServices, Options a Parameters. V záložce Services můžeme najít jednotlivé služby a následně je i skrze toto okno spustit, jako například spuštění ICMP Ping. Dále v záložce Options najdeme tabulku, která nám vypíše jednotlivé funkce pro měření a v jakém se nacházejí stavu. V poslední záložce Parameters najdeme parametry vztahující se k různým měřením.

Obrázek 2.11: Okna tabulek Services, Options a Parameters

2.13 Output

Dalším oknem je oknoOutput, které nám zobrazuje zprávy s časovým údajem, veškeré probíhající akce se nacházeji v tomto okně.

Obrázek 2.12: Okno Output

(22)

2.14 Pracovní plocha

Pracovní plocha prostředí Nemo Outdoor, v Nemo Outdoor nazývaná jako Workspace, se nachází ve středu okna programu, v tomto okně můžeme zobrazovat datové okna, které si vybereme z nabízeného seznamu. Existuje také možnost vytvoření vlastního okna a volby konkrétních parametrů podle aktuálních potřeb. V jednotlivých oknech můžeme otevřít i několik různých podoken a vytvořit si tak vlastní prostředí pro měření. Existuje zde i možnost otevření nové skupiny zobrazení a tudíž můžeme mít několik různých prostředí otevřených naráz.

Obrázek 2.13: Hlavní okno pracovní plochy

Pro otevření nového okna v pracovní ploše se používá levé kliknutí myši, z vyskakovacího menu pak vybereme požadované okno.

Obrázek 2.14: Vyskakovací menu pracovní plochy

(23)

Nejvíce využívaným zobrazením je zobrazení Events Grid, ve kterém se signalizační zprávy objevují v časové posloupnosti.

Obrázek 2.15: Záložka pro vytvoření okna Events Grid

2.15 Vytvoření grafu

Pro vytvoření nového pracovního okna se využívá volba New Graph, jak lze vidět na obrázku 2.14.

Po otevření prázdného okna připraveného pro tvorbu grafu se využivá tlačítka New Layer, které se nachází v pravé dolní části pracovního okna. Tlačítko New Layer umožňuje přidat novou vrstu se zvolenými daty ze seznamu na obrázku 2.17.

Obrázek 2.16: Okno New Layer

(24)

Při volbě nové vrstvy je potřeba nejprve zvolit připojené zařízení. Pokračujeme výběrem po- žadovaného parametru pro osu Y a po potvrzení se nám v hlavním okně pro graf zobrazí průběh zvoleného parametru. Lze také změnit řadu dalších parametrů, například jako je barva grafu, tyto nastavení lze editovat i po vytvoření. Na následujícím obrázku lze vidět vytvoření několika vrstev, které ukazují rychlost datového toku v několika přenosových vrstvách.

Obrázek 2.17: Pracovní plocha s oknem Line Graph

2.16 Device Status

Jedním z poslední oken je oknoDevice Status, ve kterém můžeme najít stav připojeného zařízení, a zjistit tak jeho správnou funkci. Podoknem Device Status je také File Transfer Status ve kterém se ukazuje aktuální stav přenášených souborů.

Obrázek 2.18: Okno Device Status

(25)

Kapitola 3

Zadání první úlohy

První zadání se zabývá attach procedurou mobilního zařízení, které podporuje 4G i 5G NR sítě, k základové stanici. Attach procedurou je myšleno prvotní přihlášení do sítě například po vypnutí telefonu nebo také vypnutí letadlového režimu, jedná se o vyjednání spojení a upřesnění parametrů pro navázání úspešného spojení.

Pro zvládnutí všech požadovaných úkolů je vhodné nastudování kapitoly 2. ve které se nachází popis postupu práce s nástrojem Nemo Outdoor. Pro další postup a lepší orientaci v přijímaných zprávách je vhodné nastudovat kapitoly 3.3-3.15.

3.1 Analýza Attach procedury

• Zanalyzujte sekvenci 12 základních zpráv probíhajících při attach proceduře.

• Jednotlivé zprávy zakreslete formou časového diagramu.

• Zjistěte v kterém časovém okamžiku byla odeslána první zpráva pro navázání spojení.

• Zjistěte jak dlouho trval časový blok mezi první a poslední zprávou pro navázání spojení.

• Zjistěte parametry S-TMSI, MCC, MNC a uveďte jejich význam.

• Zjistěte které kmitočtové pásmo je využíváno pro 4G a pro 5G NR.

Pokud je známo kterými kanály a v jakém směru se zprávy přenášejí, nezapomeňte to také uvést.

3.2 Postup

• Připojte telefonní zařízení k počítači pomocí USB rozhraní.

• Spusťte software Nemo Outdoor a proveďte prvotní připojení telefonu dle kapitoly 2.2.

(26)

• Pokračujte otevřením výpisu probíhajících zpráv v pracovním okně dle kapitoly 2.14.

• Proveďte odpojení a následovné připojení telefonu k síti za pomoci zapnutí/vypnutí letadlo- vého režimu.

• V okně pracovní plochy najděte zprávy zmíněné v kapitole 3.3.

• Zjistěte požadované časové parametry a proveďte jejich zápis do časového diagramu dle 2.

bodu zadání.

• Další požadované parametry se nacházejí ve zprávách rozebraných v kapitolách 3.4-3.15.

(27)

3.3 Signalizace 5G NR(NSA)

Spojení v síti 5G NR probíhá v režimuNSA– Non-Standalone Access, což znamená že část spojení probíhá ve 4G. Komunikace spojená s kontrolní úrovní(Control Plane) se přenáší ve 4G, zatímco spojení s uživatelskou úrovní(User Plane) probíhá v síti 5G. Tato metoda je použita z důvodu zjednodušení a urychlení přechodu na 5G NR. Základová stanice 4G je v signalizaci označena jako eNodeB, u 5G NR je toto označení gNodeB.

Ze všech zpráv je vybráno pouze to nejdůležitější pro účely vypracování zadání, celé zprávy jsou obsaženy v příloze, vzhledem k jejich délce. Jednotlivé zprávy jsou rozdě- leny do souborů, které mají stejný název jako obsažená signalizační zpráva.

Obrázek 3.1: Časový průběh procedury Attach

(28)

3.4 RRC Connection Request

Zpráva oznamuje požadavek o navázání spojení pomocí RRC protokolu, obsahuje také informaci o UE identitě, ve formě S-TMSI(m-TMSI)(Serving Temporary Mobile Subscriber Identity), probíhá přes CCCH(Common Control Channel), který se používá pro přenos informací mezí UE a sítí před navázaním RRC spojení. DL nebo UL označuje směr, kterým je zpráva posílána.[5]

RRC SIGNALING MESSAGE

RRCConnectionRequest (3GPP TS 36.331 ver 15.5.1 Rel 15)

UL-CCCH-Message

ue-Identity s-TMSI

mmec

Bin : ’05’H (= 5) m-TMSI

Bin : ’C0523DEF’H (32 bits)

3.5 RRC Connection Setup

Zpráva o nastavení parametrů RRC, také probíhá přes CCCH.[5]

RRCConnectionSetup (3GPP TS 36.331 ver 15.5.1 Rel 15)

DL-CCCH-Message

3.6 RRC Connection Setup Complete

Zpráva oznamuje úspěšné dokončení RRC připojení, obsahuje také zprávu o NAS Attach Request, přenos probíhá přes DCCH, obousměrný kanál používaný mezí UE a sítí v případě navázaného RRC spojení.[5]

RRCConnectionSetupComplete (3GPP TS 36.331 ver 15.5.1 Rel 15)

UL-DCCH-Message

(29)

3.7 ATTACH REQUEST

Zpráva označuje požadavek o navázání spojení se sítí, obsahuje EPS attach type, UE network capability, ESM message container, Last visited registered TAI, DRX parameter a další zprávy spojené s žádostí o navázání spojení.[4]

LAYER 3 SIGNALING MESSAGE

ATTACH REQUEST 3GPP TS 24.301 ver 15.4.0 Rel 15 (8.2.4)

M EPS attach type (hex data: 2)

EPS attach type value: combined EPS/IMSI attach M NAS key set identifier (hex data: 4)

TSC: native security context NAS key set identifier: 4

M Old GUTI or IMSI (hex data: 0bf632f0 70d43105 c0523def) Type of identity: GUTI

Odd/even indication: even number of identity digits and also when the GUTI is used MCC: 230

MNC: 7

MME Group ID: 0xd431 MME Code: 0x05 M-TMSI: 0xc0523def

3.8 UECapabilityEnquiry

Zpráva požaduje o přenos UE Radio Access Capabilities.[5]

UECapabilityEnquiry (3GPP TS 36.331 ver 15.5.1 Rel 15)

DL-DCCH-Message

ueCapabilityEnquiry-r8 ue-CapabilityRequest

ue-CapabilityRequest value : eutra, utra, geran-cs requestedFrequencyBands-r11

requestedFrequencyBands-r11 value : 7 requestedFreqBandsNR-MRDC-r15

FreqBandList

FreqBandList value 1 bandInformationEUTRA

bandEUTRA : 7

(30)

FreqBandList value 2 bandInformationNR

bandNR : 78

3.9 UECapabilityInformation

Zpráva obsahuje parametry požadované zprávou UECapabilityEnquiry.[5]

UECapabilityInformation (3GPP TS 36.331 ver 15.5.1 Rel 15)

UL-DCCH-Message

ueCapabilityInformation-r8 ue-CapabilityRAT-ContainerList

ue-CapabilityRAT-ContainerList value 1 rat-Type : eutra

ueCapabilityRAT-Container UE-EUTRA-Capability

accessStratumRelease : rel15 ue-Category : 4

3.10 Security Mode Command

Zpráva obsahuje příkaz pro aktivaci AS zabezpečení.[5]

SecurityModeCommand (3GPP TS 36.331 ver 15.5.1 Rel 15)

DL-DCCH-Message

securityModeCommand

securityModeCommand-r8 securityConfigSMC

securityAlgorithmConfig cipheringAlgorithm : eea1 integrityProtAlgorithm : eia2

(31)

3.11 Security Mode Complete

Zpráva obsahuje informaci o dokončení aktivace AS zabezpečení.[5]

SecurityModeComplete (3GPP TS 36.331 ver 15.5.1 Rel 15)

UL-DCCH-Message

securityModeComplete

rrc-TransactionIdentifier : 0 securityModeComplete-r8

3.12 RRC Connection Reconfiguration

Zpráva obsahuje rekonfiguraci RRC spojení.[5]

RRCConnectionReconfiguration (3GPP TS 36.331 ver 15.5.1 Rel 15)

DL-DCCH-Message

3.13 RRC Connection Reconfiguration Complete

Zpráva obsahuje oznámení o dokončení rekonfigurace RRC spojení.[5]

RRCConnectionReconfigurationComplete (3GPP TS 36.331 ver 15.5.1 Rel 15)

UL-DCCH-Message

rrcConnectionReconfigurationComplete rrc-TransactionIdentifier : 0

rrcConnectionReconfigurationComplete-r8

3.14 RRC Connection Reconfiguration Message

Zpráva obsahuje doplňující informace k rekonfiguraci RRC spojení.[17]

RRCReconfiguration message (3GPP TS 38.331 ver 15.5.1 Rel 15)

(32)

3.15 ATTACH ACCEPT

Zpráva o přijetí navázaného spojení, často „spojeno“ se zprávou RRC Connection Reconfiguration.[4]

LAYER 3 SIGNALING MESSAGE

ATTACH ACCEPT 3GPP TS 24.301 ver 15.4.0 Rel 15 (8.2.1)

M EPS attach result (hex data: 2)

EPS attach result value: combined EPS/IMSI attach M TAI list (hex data: 060032f0 70ff78)

Partial tracking area identity list 1:

Type of list: list of TACs belonging to one PLMN, with non-consecutive TAC values Number of elements: 1

MCC: 230 MNC: 7

TAC 1: 65400 (0xff78)

M ESM message container (hex data: 00745208 c10..)

ESM message container contents: 5208c101881c087673622d636e2d31066d6e633...

O GUTI (hex data: 500bf632 f070d431 05c0523d f0) Type of identity: GUTI

Odd/even indication: even number of identity digits and also when the GUTI is used MCC: 230

MNC: 7

MME Group ID: 0xd431 MME Code: 0x05 M-TMSI: 0xc0523df0

O Location Area Identification (hex data: 13327000 03e7) MCC digits: 230

MNC digits: 7 LAC: 999

O MS identity (hex data: 2305f4ab cdabcd) Type of identity: TMSI/P-TMSI/M-TMSI Identity digits: abcdabcd

O EPS network feature support (hex data: 640100)

IMS VoPS: IMS voice over PS session in S1 mode not supported EMC BS: emergency bearer services in S1 mode not supported EPC-LCS: location services via EPC not supported

CS-LCS: no information about support of location services via CS domain is available ESR PS: network does not support use of EXTENDED SERVICE REQUEST to request for packet

services

ERw/oPDN: not supported

(33)

Kapitola 4

Zadání druhé úlohy

Druhé zadání se zabývá analýzou přenášených zpráv při přenosu dat za použití pilotní kampusové sítě 5G NR. Za předpokladu již nastudované kapitoly 2. z prvního protokolu, je vhodné doplnit přehled o přenášených zprávách při přenosu dat z kapitol 4.3-4.10. Z poskytnuté webové stránky proveďte stažení velkého souboru pro získání adekvátního vzorku signalizačních zpráv.

4.1 Analýza signalizace při přenosu dat v 5G NR

• Zanalyzujte všechny zprávy obsažené v jedné časové sekvenci.

• Zjistěte parametr ARFCN, uveďte jeho význam a vzorec pro výpočet konkrétní frekvence.

• Zjistěte použitou frekvenci za pomoci vzorce pro výpočet ARFCN.

• Zjistěte hodnotu parametrů RSRP, RSRQ, RSSI a SINR. Uveďte význam těchto parametrů a jejich jednotku.

• Zvolte jeden nebo více parametrů pro rychlost downloadu a také pro rychlost uploadu, z těchto parametrů vytvořte vhodný graf.

4.2 Postup

• Proveďte připojení telefonního zařízení a nastavení pracovní plochy dle předchozího protokolu.(3.2)

• Zjistěte požadované parametry ze zpráv dle kapitol 4.3-4.10.

• Pro výpočet použité frekvence použijte příklad obsažený v kapitole 4.4.

• Vytvořte adekvátní pracovní plochu pro zobrazení vhodného grafu dle kapitoly 2.15.

(34)

4.3 Data flow 5G

Signalizace probíhající při přenosu dat v 5G NR

Při přenosu dat v 5G NR režimu NSA se v signalizaci přenáší periodicky každých 500ms sekvence zpráv ve směru k eNodeB. Tyto zprávy jsou rozebrány v následující podkapitole, navíc také se zprávou PPPRATE která se přenáší každou 1 sekundu - každý druhý průběh.

Obrázek 4.1: Sekvence zpráv při přenosu dat

(35)

4.4 CELLMEAS

Naměrené parametry dané buňky, zpráva obsahuje NR-ARFCN, RSRP, RSRQ, SINR, RSSI.

Obrázek 4.2: Signalizační zpráva Cell measurement

• NR-ARFCN(Absolute Radio-Frequency Channel Number) – kód který označuje pár(v případě FDD) referenčních frekvencí používaných pro přenos a příjem dat v rádiovém systému. V případě použití TDD je číslo označující ARFCN pouze jedno, jelikož frekvence zůstává stejná pro download i upload.[7]

• RSRP(Reference Signal Received Power) - parametr používaný jako referenční ukazatel přijí- mané úrovně signálu.[10][11][12]

• RSRQ(Reference Signal Received Quality) - parametr používaný pro určení kvality rádiového kanálu.[10][11][12]

• RSSI(Received Signal Strength Indicator) - parametr který je ukazatelem úrovně příjímaného signálu.[10][11][12]

(36)

• SINR(Signal-to-noise and Interference Ratio) - odstup signálu od šumu.[10][11][12]

Příklad výpočtu frekvence/ARFCN:

Vzorec pro výpočet frekvence:

FREF =FREF−Of f s+ ∆FGlobal×(NREF −NREF−Of f s) Vzorec pro výpočet ARFCN:

N_REF = N_REF−Of f s+ (F_REF −FREF−Of f s)

∆FGlobal

V našem případě známe ARFCN které je 632352, podle tabulek zjístíme referenční hodnoty a dopočítáme. Referenční hodnoty dostupné na straně 35 z[18].

F_REF = 3000 MHz + 15 kHz×(632352−600000) = 3485.28 MHz

(37)

4.5 TXPC

TX Power Control – určuje výkon vysílaný telefonním zařízením, udávaný v dBm.

Obrázek 4.3: Signalizační zpráva TX power control

4.6 DCI

Downlink Control Information – obsahuje kontrolní data využívané pro plánování přenosu uživatel- ských dat(PDSCH/PUSCH).[9]

Obrázek 4.4: Signalizační zpráva Downlink control information

(38)

4.7 PLAI

Packet Link Adaptation Info

PLAID – Packet Link Adaptation info for Downlink – zpráva obsahující informace o aktuálním nastavení parametrů rádiového kanálu.[13]

PLAIU – Packet Link Adaptation info for Uplink – stejně jako PLAID, akorát pro upload.[13]

Obrázek 4.5: Signalizační zpráva Packet Link Adaptation Info for Down/Up link

(39)

4.8 CQI

Channel Quality Indicator – obsahuje informaci o kvalitě kanálu, v rozmezí 0-15, přičemž větší hodnota znamená větší kvalitu.[11]

Obrázek 4.6: Signalizační zpráva Channel Quality Indicator

4.9 PMI

Precoding Matrix Indicator - definuje jakým způsobem jsou mapovány jednotlivé datové toky.[6]

Obrázek 4.7: Signalizační zpráva Precoding Matrix Indicator

(40)

4.10 Dodatečné zprávy

V následujících zprávách jsou obsaženy přenosové rychlosti a další doplňující informace na jednot- livých přenosových vrstvách.

PHRATE – zpráva informující o rychlosti přenosu na fyzickém kanálu v Mbps pro download.[8]

PHRATEU – stejná zpráva jako PHRATE pouze pro upload.[8]

Obrázek 4.8: Signalizační zpráva PH Rate Down/Up load

MACRATE - zpráva informující o rychlosti přenosu na vrstvě MAC v Mbps pro download a dalších parametrech spojených s MAC vrstvou.[14]

MACRATEU – stejná zpráva jako MACRATE pouze pro upload.[14]

Obrázek 4.9: Signalizační zpráva MAC Rate Down/Up load

(41)

RLCRATE - zpráva informující o rychlosti přenosu na vrstvě RLC v Mbps pro download a dalších parametrech spojených s RLC vrstvou.[15]

RLCRATEU– stejná zpráva jako RLCRATE pouze pro upload.[15]

Obrázek 4.10: Signalizační zpráva RLC Rate Down/Up load

PDCPRATED- zpráva informující o rychlosti přenosu na vrstvě PDCP v Mbps pro download a dalších parametrech spojených s PDCP vrstvou.[16]

PDCPRATEU – stejná zpráva jako PDCPRATED pouze pro upload.[16]

Obrázek 4.11: Signalizační zpráva PDCP Rate Down/Up load

(42)

PPPRATE– PPP layer throughput, zpráva která Point-to-Point odesílá informace o rychlosti downlinku, uplinku a o počtu přenesených bytů up/down.

Obrázek 4.12: Signalizační zpráva PPP Rate

(43)

Kapitola 5

Závěr a vyhodnocení práce

Cílem bakalářské práce bylo vytvořit přehledný manuál k nástroji Nemo Outdoor Drive Test Solution. Tento nástoj slouží pro analýzu spojení ve 4G a 5G NR sítích. Dalším cílem bylo vytvořit dvě zadání pro předmět Rádiové Sítě II a také seznámit čtenáře s probíhající signalizací ve vybraných scénářích. Signalizační zprávy se mezi základovou stanicí a telefonním zařízením přenášejí skoro kontinuálně, je tedy zásadní mít přehled a představu o tom, které zprávy je třeba hledat a vědět, které parametry se v nich nachází. V tomto případě je také vhodné provést záznam signalizace a využít filtrů pro snadnější a přehlednější práci. V teoretické části této bakalářské práce byly vybrány nejdůležitější zprávy pro dané měření, tyto zprávy byly následně rozebrány pro další použití.

V praktické části byly provedeny vzorová měření a nastavení, které mohou být použity pro pomoc při vypracování protokolů. Při attach proceduře byla zjištěna sekvence probíhajících zpráv, které se ve vzdušném prostředí posílají mezi uživatelským zařízením a základovou stanicí. Sekvence se skládá z 12 zpráv, které jsou rozebrány v kapitolách 3.3-3.16. Tato sekvence obsahuje informace o vyjednávání spojení a upřesňování parametrů, sekvence je nezbytná pro úspěšné vytvoření spojení.

Další zadání je zaměřeno na přenos dat v pilotní kampusové síťi 5G, která byla pro tuto bakalářskou práci poskytnuta. V sekvenci zpráv které se vztahují k přenosu dat můžeme zjistit několik parametrů popisujících použité frekvence, modulace a dále také parametry, ze kterých se dá získat přehled o kvalitě úrovně přijímaného signálu. Zadání jsou vytvořena tak, aby bylo možné jejich přehledné vypracování a také rozšíření o další body v případě nutnosti.

Přínos v bakalářské práci vidím v objasnění vnitřních dějů při každodenním používání mobil- ních telefonů, dále pak také v seznámení s velmi propracovaným a schopným softwarem, který může posloužit jak pro využití při výuce, tak i při reálném profesionálním využití při návrhu základo- vých stanic a optimalizaci mobilních zařízení. V případě rozšíření měření vidím potenciál ve změně podmínek za kterých měření probíhá, například vytvořením překážek a úpravou dalších vlivů při kterých by se dala sledovat změna měřených parametrů. Při bakalářské práci byla použita literatura která je uvedena v seznamu použité literatury. Práce může sloužit jakožto příprava na cvičení a návod při zpracovávání protokolu.

(44)

Literatura

[1] Nemo Outdoor 5G NR Drive Test Solution [online].

Dostupné z: https://www.keysight.com/en/pd-2765544-pn-NTA00002B/nemo-outdoor?nid=- 32104.1200406cc=CZlc=eng

[2] AHMADI, Sassan. 5G NR: Architecture, Technology, Implementation, and Operation of 3GPP New Radio Standards. Academic Press, 2019

[3] AHMADI, Sassan. LTE-Advanced: a practical systems approach to understanding 3GPP LTE releases 10 and 11 radio access technologies. Academic Press, 2013

[4] 3GPP TS 24.301 - Non-Access-Stratum (NAS) protocol for Evolved Packet System (EPS);

Stage 3, Dostupné z:

https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=1072 [5] 3GPP TS 36.331 - Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource

Control (RRC); Protocol specification, Dostupné z:

https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=2440 [6] 3GPP TS 38.101-4 - NR; User Equipment (UE) radio transmission and reception; Part 4:

Performance requirements, Dostupné z:

https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3366 [7] 3GPP TS 38.104 - NR; Base Station (BS) radio transmission and reception, Dostupné z:

https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3202 [8] 3GPP TS 38.201 - NR; Physical layer; General description, Dostupné z:

https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3211 [9] 3GPP TS 38.212 - NR; Multiplexing and channel coding, Dostupné z:

https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3214 [10] 3GPP TS 38.213 - NR; Physical layer procedures for control, Dostupné z:

https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3215

(45)

[11] 3GPP TS 38.214 - NR; Physical layer procedures for data, Dostupné z:

https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3216 [12] 3GPP TS 38.215 - NR; Physical layer measurements, Dostupné z:

https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3217 [13] 3GPP TS 38.300 - NR; NR and NG-RAN Overall description; Stage-2, Dostupné z:

https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3191 [14] 3GPP TS 38.321 - NR; Medium Access Control (MAC) protocol specification, Dostupné z:

https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3194 [15] 3GPP TS 38.322 - NR; Radio Link Control (RLC) protocol specification, Dostupné z:

https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3195 [16] 3GPP TS 38.323 - NR; Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification, Dostupné z:

https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3196 [17] 3GPP TS 38.331 - NR; Radio Resource Control (RRC); Protocol specification, Dostupné z:

https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3197 [18] TS 138 104 - V15.2.0 - 5G; NR; Base Station (BS) radio transmission and reception, Dostupné z:

https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/138100_138199/138104/15.02.00_60/ts_138104v150200p.pdf

(46)

Příloha A

Signalizační zprávy

Soubor .zip obsahuje všechny jednotlivé signalizační zprávy ve formě souboru .txt, ve kterém je celý obsah dané signalizační zprávy.

/.zip- Obsahuje jednotlivé soubory se signalizačními zprávami ve formě .txt.

1_RRCConnectionRequest.txt- Zpráva o žádosti o spojení pomocí RRC protokolu.

2_RRCConnectionSetup.txt - Zpráva o nastavení parametrů RRC protokolu.

3_RRCConnectionSetupComplete.txt- Zpráva o dokončení spojení pomocí RRC protokolu.

4_ATTACH_REQUEST.txt - Zpráva oznamuje žádost o attach.

5_ATTACH_ACCEPT.txt - Zpráva oznamuje přijetí žádosti o attach.

6_UECapabilityEnquiry.txt- Zpráva obsahuje žádost o poskytnutí UE Radio Capabili- ties.

7_UECapabilityInformation.txt- Zpráva obsahuje parametry požadované zprávou UE- CapabilityEnquiry.

8_SecurityModeCommand.txt - Zpráva obsahuje žádost o aktivaci AS zabezpečení.

9_SecurityModeComplete.txt- Zpráva oznamuje dokončení aktivace AS zabezpečení.

10_RRCConnectionReconfiguration.txt- Zpráva obsahuje žádost o rekonfiguraci RRC spojení.

11_RRCConnectionReconfigurationComplete.txt - Zpráva oznamuje dokončení rekonfiguraci RRC spojení.

12_ATTACH_COMPLETE.txt - Zpráva oznamující dokončení procedury attach.