Généralités: Ressources partagées en sens descendant

La 4G utilise OFDM = juxtaposition en fréquences de modems de 15 kHz.
L'eNodeB partage ses moyens de transmission entre les abonnés qui demandent à communiquer.
Il découpe ses ressources en paquets de largeur 180 kHz et durée 1 IT = 0,5 ms: RB Ressources Blocks.
Il indiquera à un abonné quels sont les RB qu'il lui alloue sur la sous-trame à venir.

On observe avec un analyseur de spectre une bande de fréquence 4G.




Relever la largeur de bande, en déduire le nombre de RB que peut allouer en même temps l’opérateur sur ce canal
( mesurer fréquence mini et maxi, en déduire la largeur de bande réelle,
arrondir à 5 MHz près pour avoir la bande théorique => En France, résultat 10, 15 ou 20 MHz,
enlever 5% au début et 5% à la fin = 10%,
diviser par la largeur d’un RB 180 kHz )


Q1) Quel est le nombre de RB pour la bande que l'on observe ?

Généralités: Bande 4G:

On reprend l’observation précédente avec un analyseur de spectre d’une bande de fréquence 4G.




Relever la fréquence du milieu
Arrondir à 0,5 MHz près ( entier ou entier,5 )

Les bandes de fréquences 4G sont définies:

Q2) Trouver la bande pour la fréquence mesurée et calculer le canal eUARFCN

Généralités: Opérateur utilisant ces fréquences LTE:

Toujours pour l’observation précédente.

Les licences allouent les fréquences suivantes aux opérateurs 4G:

Q3) Indiquer quel est l'opérateur observé.

Généralités: Canal EARFCN

Au lieu de donner la fréquence en Hz, le réseau utilise le numéro de canal EARFCN

Trouver la bande 4G pour cette fréquence
Ecrire l'équation pour cette bande.
Modifier l'équation pour trouver Ndl = en fonction de la fréquence mesurée Fdl ( Ndl est EARFCN dans l'équation )


Q4) Quel est l'EARCN correspondant à la fréquence observée ?

Généralités: Recensement des sites radio

Le site cartoradio de l'ANFR ( Agence Nationale des Fréquences Radio ) recense les sites radio agrémentés en France.
Un autre site utilise cette base de données: antennesmobiles.fr

Aller sur ce site,
indiquer le code postal de Montbéliard 25200,
chercher le site universitaire ( vers la piscine municipale ou dézoomer et chercher les traits blancs = pistes de l'aérodrome ),
cliquer sur le site de la BU bibliothèque universitaire.

Q5) Quel est l'opérateur ?

Généralités: Catégories LTE

Le matériel électronique utilisé peut fournir des performances plus ou moins bonnes. On lui associe une catégorie LTE.

La norme LTE définit dans ses différentes versions ( releases ) les catégories implémentées sur le réseau et dans les terminaux:



On veut savoir quelles pourraient être les performances d'un samsung galaxy S4 utilisé en tp.
Le site gsmarena fournit les spécifications suivantes des capacités de ce téléphone:

Q6) Indiquer quelle est la catégorie LTE de ce téléphone ( valeurs de fréquences proches de celle du tableau ).

Généralités: Catégories LTE

Le tableau de la question précédente s'arrêtait à la release 12. Or la 4G va jusqu'à la release 14 ( R15 = 5G ).
On cherche donc d'autres sources d'informations pour avoir les dernières catégories 4G des releases suivant R12.

On a d'abord la norme 3GPP 36.306 section 4 "UE categories".
norme 36-306 release 14

On a aussi le site niviuk.free.fr


Q7) Indiquer la dernière catégorie 4G en sens DESCENDANT et ses caractéristiques optimale en MIMO et modulation.
( regarder Table 4.1A-1 de la norme = sens DL )

Généralités: Informations LTE dans android

Android permet d'implémenter en logiciel la gestion de la téléphonie 4G.
Les méthodes de la classe android.telephony sont à la page d'adresse Android Telephony

On s'intéresse à un bout de code trouvé sur Internet

Source

On fait souvent la confusion entre
-> Physical Cell Id trouvé à partir des valeurs PSS et SSS ( "CELL_PHY_ID" dans les normes, calculé selon les codes de synchro utilisés PCI = 3 x SSS + PSS = Définition de cellule, entre 0 et 503 ).
-> ECI Eutran Cell Id indiqué par la voie balise dans un message SIB1 ( 28 bits = 20 bits eNodeB et 8 bits Cell Id pour l'eNodeB = "cellIdentity" de la norme Norme 3GPP 36.331 Protocole RRC Chapitre 6.3.2 )


Q8) Quelle est la méthode Android qui renvoie la valeur PCI ( Cell_PHY_ID ) ?
( Ouvrir le lien Android Telephony > Chercher dans la page de docs la classe CellIdentityLte > Regarder la définition des méthodes utilisées dans les réponses ).

Attachement au réseau: Synchronisation: PCI et PSS,SSS

Quand on allume le téléphone, il commence par chercher un réseau 4G dans les bandes 4G que sait gérer son circuit électronique.
Pour cela il recherche par corrélation la synchronisation primaire PSS. Il y a 3 possibilités ( séquence 0, 1 ou 2 ) donc la recherche est rapide d'autant qu'avec les capacités des circuits électroniques, les 3 recherches sont faites en parallèle.

Une fois qu'il a trouvé PSS, il sait qu'il y a un signal 4G sur ces fréquences, il recherche la synchronisation secondaire SSS ( 168 possibilités ).

Ces 2 valeurs définissent une cellule au niveau physique: PCI Physical Cell Id = 3 x SSS + PSS

On donne une capture d'écran de l'application "Network Cell info".
( on a enlevé les valeurs NID1 = PSS et NID2 = SSS )



On a la valeur PCI = 3 x SSS + PSS.


Q9) Quelles sont est les valeurs de SSS et PSS ?
( diviser par 3 PCI, garder la partie entière => SSS,
PSS = PCI-3xSSS )

Attachement au réseau: eNodeB

On reprend la capture d'écran précédente de l'application "Network Cell info".
( on a enlevé la valeur eNB )

Le message SIB1 de la voie balise indique la valeur ECI. Il est en décimal sur l'application.

ECI ( Eutran Cell Id ) est fait de 28 bits = 20 bits eNodeB et 8 bits Cell Id pour l'eNodeB ( "cellIdentity" de la norme Norme 3GPP 36.331 Protocole RRC Chapitre 6.3.2 )

On cherche le numéro d'eNodeB en décimal.
=> Convertir ECI en hexadécimal
=> Garder les 20 premiers bits = 5 codes hexa
=> Convertir ces 5 codes en décimal.


Q10) Quel est la valeur du code de l'eNodeB EN DÉCIMAL qui gère les antennes pour cette capture ?

Détection de signaux de synchronisation

On utilise un logiciel de détection de signaux de synchronisation 4G: PSS et SSS qui donne le Phy_Cell_Id = 3 x SSS + PSS.
On fait une mesure depuis une position fixe.



Q11) Quelle est la conclusion de ce qui est affiché?

Attachement au réseau: MIB de Voie balise

Le téléphone après avoir trouvé la synchronisation au milieu de la bande de fréquence utilisée décode les messages PBCH ( MIB de la voie balise, les SIB sont dans la partie data PDSCH ) qui sont aussi au centre de la bande utilisée.

On donne un exemple de trame en sens descendant ( PCI=0, 1 port antenne ):



source: http://niviuk.free.fr/lte_resource_grid.html


Q12) Quelle est la bande passante pour cette capture de trame LTE ?
( PBCH des MIB de la voie balise est au milieu de la bande utilisée, le 1er PRB est numéroté 0
=> en déduire avec le numéro de RB ( PRB Physical RB ) combien de RB sont disponibles pour cette capture
=> en déduire la bande sachant qu'un RB vaut 180 kHz, qu'on a 10% de plus pour la bande ( sécurité = férquences inutilisées 5% en bas, 5% en haut ).

Attachement au réseau: Voie balise bits MIB

On reprend l'exemple de trame en sens descendant ( PCI=0, 1 port antenne ):



Q13) Quel est le nombre de bits d'info d'un message MIB et le taux de codage des FEC appliqués.
-> Compter le nombre de symboles OFDM PBCH au dessus du RE rouge = motif de base ( CTRL + pour zoomer dans le navigateur ).
-> Compter le nombre de motifs de base, en déduire le nombre de symboles pour PBCH.
-> Sachant que la modulation utilisée pour les symboles est QPSK, en déduire le nombre de bits codés.

Attachement au réseau: Voie balise Codage MIB

Dans PBCH en milieu de bande de fréquences, le téléphone trouve les messages MIB ( les SIB sont dans la partie data PDSCH ). Ces messages sont émis en modulation QPSK.

Après avoir trouvé la synchro, le téléphone en déduit le PCI = 3xSSS + PSS.
Puis il lit le bloc MIB:

- 3 bits for system bandwidth (000-111 ) => en ASN1 "n6" = 6 RB pour 1,4 Mhz, "n15" pour 3 MHz, "n25" pour 2 MHz, "n50" pour 10 MHz, "n75" pour 15 MHz, "n100" pour 20 MHz
- 3 bits for PHICH information (1 bit to indicate normal or extended PHICH , 2 bit to indicate the PHICH Ng value: En ASN1 ⅙, ½, 1 ou 2)
- 8 bits for system frame number
- x bits are reserved for future use ( x pas donné ici pour ne pas donner la réponse... )

Le bloc MIB indique les informations largeur de bande, la configuration PHICH ( phich-Resource = Facteur Ng = ⅙ ou 1 ou ½ ou 2 ), numéro de trame.

Le CRC de ce message d’information est modifié par XOR avec un masque lié au nombre d’antenne.

Le récepteur par calcul sur le CRC peut en déduire le nombre d’antenne ( MIMO ou non: 1 antenne masque 16 bits 00000000000000000, 2 antennes 1111111111111111, 4 antennes 0101010101010101 ) et vérifier s’il détecte de la puissance sur ses antennes.

=> Avec synchro ( PCI = 3xSSS+PSS ) et MIB, le terminal en déduit les éléments essentiels de l’organisation de la trame.

On s'intéresse à la taille du message et au codage FEC.
Pour s'informer on va sur la page de description du codage de PBCH.


Q14) Quel est le nombre de bits d'info d'un message MIB et le taux de codage des FEC appliqués.
-> regarder les détails de l’étape < CRC Attachement : 36.212-5.3.1 > en entrée “BCH data”
-> puis regarder les détails de l’étape < Channel Coding : 36.212-5.3.1> “output of channel coding” ou regarder le schéma ( c en entrée, d en sortie )

Attachement au réseau: TTI MIB ( durée de transmission du message )

On a vu que dans PBCH en milieu de bande de fréquences, le téléphone trouve les messages MIB ( les SIB sont dans la partie data PDSCH ).

On a vu qu'on ajoute des FEC au message.

Ensuite on réalise le brouillage ( scrambling = Dispersion de l'énergie et personnalisation pour cette émission par rapport à une autre fréquence/cellule ).

On redonne la page de description du codage de PBCH.

Un message PBCH est placé dans la sous trame 0 d'une trame de 10 ms.

source: https://marceaucoupechoux.wp.imt.fr/files/2018/02/ltefr.pdf


Q15) Combien de temps faut il pour envoyer un message MIB dans PBCH ( TTI Transmission Time Interval ) ?
-> Compter le nombre de symboles OFDM PBCH dans une trame. ( CTRL + pour zoomer dans le navigateur ).
-> Sachant que la modulation utilisée pour les symboles est QPSK, en déduire le nombre de bits.
-> Relever dans la partie < Scrambling : 36.211-6.6.1> la longueur de la séquence de brouillage.
-> En déduire le rapport des 2 = nombre de PBCH.
-> En déduire le nombre de trames
-> En déduire le temps
( vérifier avec < Resource Element Mapping : 36.211-6.6.4 > )

Attachement au réseau: Débit MIB

On a trouvé avant le nombre de bits d'info du canal MIB.
On peut vérifier dans la capture des messages de signalisation échangés lors de l'attachement du téléphone au réseau 4G ( nombre de codes hexa de data du message ).
Trace attachement au réseau 4G ( source: extrait de 16Sep08 163405_iut_rien_avion_rx_sms_tx_sms_ap_voix_avion.1.nmf )

On a trouvé le TTI = Temps de transmission.


Q16) Quel est le débit des MIB dans PBCH ?

Attachement au réseau: Identité

Lors de l'attachement au réseau, le téléphone peut utiliser pour s'identifier:

-> son code matériel IMEI ( International Mobile Equipment Identifier, taper *#06# sur votre téléphone )

-> son code abonné IMSI ( International Mobile Equipment Subscriber ) défini par le code réseau MCC/MNC et un numéro attribué par l'opérateur qui n'est pas le MS-ISDN = mon "06" = Country Code ( 33 France ) + National Destination Code ( 607 Orange, 603 SFR ou 7.. ) + Subscriber Number ( 123456 )

-> GUTI ( Globally Unique Temporary Identifier )

En communication on sera aussi identifié par notre @IP, par le RNTI ( Radio Network Temporary Identifier, voir plus loin ).

Ces identités dans le réseau LTE sont liées à différents appareils:

Plus d'infos: https://www.sharetechnote.com/html/Handbook_LTE_IDs_in_LTE.html

L'attachement au réseau peut se faire avec différentes identités selon que le MME de rattachement connait déjà le téléphone ou non, selon que le MME qui gère le téléphone change. On a alors 5 cas:

UE inconnue du MME	UE connue du MME

source
Plus d'infos


On donne une capture des messages de signalisation lors de l'attachement du téléphone au réseau.
Trace attachement au réseau 4G ( source: extrait de 16Sep08 163405_iut_rien_avion_rx_sms_tx_sms_ap_voix_avion.1.nmf )


Q17) Auquel des 5 cas ( Attach Case x ) des schémas correspond la capture ?
( regarder sur les 5 cas présentés le "type of identity" qu'envoie le téléphone dans le message Attach Request, puis quels sont les messages suivants ).

Attachement au réseau: Motif de connexion

On a capturé les messages de signalisation échangés lors de l'attachement du téléphone au réseau 4G.
Trace attachement au réseau 4G ( source: extrait de 16Sep08 163405_iut_rien_avion_rx_sms_tx_sms_ap_voix_avion.1.nmf )


Q18) Quelle est la cause d'établissement pour cette activation, dans quel message ?
( ouvrir la page puis CTRL F et chercher cause )

Attachement au réseau: Capacité VoLTE

On s'intéresse dans la même capture des messages de signalisation échangés lors de l'attachement du téléphone au réseau 4G.
Trace attachement au réseau 4G ( source: extrait de 16Sep08 163405_iut_rien_avion_rx_sms_tx_sms_ap_voix_avion.1.nmf )

La 4G correspond à la base à de la data en commutation de paquet ( modem 4G ).

Pour la voix elle propose 2 modes de fonctionnement:
-> VoLTE ( Voice over LTE = on reste en 4G avec un appel en Télephonie sur IP ) = PS Domain ( Packet Switched )
-> CS-fallback ( on quitte la 4G et repasse sur un réseau en commutation de circuit GSM ou UMTS = fallback ) = CS Domain ( Circuit Switched )

Chercher les capacités du téléphone et du réseau en terme de voix dans la capture.
( CTRL F voice et regarder le sens: uplink = téléphone, downlink = réseau )


Q19) Quelles sont les capacités VoLTE pour le téléphone et le réseau ?

Attachement au réseau: MIB et SIB

Comme en 3G UMTS, la voie balise a un format variable contrairement au GSM ( récurrence des messages de voie balise fixe ). La voie balise est faite d'un MIB ( Master Info Block ) et de SIB ( System Information Block. SIB1 obligatoire qui décrit la partie variable qui sera envoyé ensuite = schedulingInfoList ).

Le MIB se trouve dans PBCH en sens descendant en milieu de trame. Les SIB sont dans les data partagées PDSCH ( Physical Downlink Shared CHannel ).

On utilise encore cette capture des échanges entre le réseau et le téléphone qui démarre.
Trace attachement au réseau 4G ( source: extrait de 16Sep08 163405_iut_rien_avion_rx_sms_tx_sms_ap_voix_avion.1.nmf ).

On rappelle les principales valeurs de MCC/MNC:



Q20) Sur quel réseau est faite la capture d'attachement au réseau ?
( chercher dans les messages de voie balise les informations ).

Attachement au réseau: SIB6

On utilise encore cette capture des échanges entre le réseau et le téléphone qui démarre.
Trace attachement au réseau 4G ( source: extrait de 16Sep08 163405_iut_rien_avion_rx_sms_tx_sms_ap_voix_avion.1.nmf ).


Q21) A quoi sert le message SIB6 ?
( carrierFreq = ARFCN ou quel nom de réseau commence par U, quelle réponse pour la voix avant )

Attachement au réseau: Adresse IP

On redonne la capture des échanges entre le réseau et le téléphone qui démarre.
Trace attachement au réseau 4G ( source: extrait de 16Sep08 163405_iut_rien_avion_rx_sms_tx_sms_ap_voix_avion.1.nmf ).

La trame ACTIVATE_DEFAULT_EPS_BEARER_CONTEXT_REQUEST contient les valeurs de configuration réseau que le réseau donne au téléphone.


Q22) Quel est le protocole pour attribuer automatiquement l'adresse IP ( Configuration Protocol ) et sa valeur ?

Attachement au réseau: Protocoles de sécurité

On donne un document qui présente les notions de sécurité en LTE:
-> Chiffrement EEA ( EPS Encryption Algorithm )
-> Intégrité EIA (EPS Integrity Algorithm)
Présentation sécurité LTE

source: Site Benoit Michaux ANSSI, Plus d'infos: Documents de la conférence, Conférence en vidéo

On redonne la capture des échanges entre le réseau et le téléphone qui démarre.
Trace attachement au réseau 4G ( source: extrait de 16Sep08 163405_iut_rien_avion_rx_sms_tx_sms_ap_voix_avion.1.nmf ).

Le téléphone indique ses capacités ( uplink = algorithmes qu'il sait utiliser = supported ),
lors du début d'échanges ( com ou signalisation ) le réseau commande de passer dans un mode sécurité ( downlink = 1 algorithme pris parmi ceux que sait faire le téléphone ).


Q23) De quels algorithmes découlent ce que vont utiliser nos appareils pour la communication ?
( Chercher dans la trace d'appel l'algorithme que le réseau a choisi = downlink, chercher dans le pdf de quel algorithme cela découle. Chercher = CTRL F )