Philips Hue 讓燈泡走進無線的世界

Philips 最近發表了一款新的燈泡，可以使用ipad去控制 燈泡的亮度，燈泡的顏色，開關燈泡的功能當然也難不倒他。並且同時可以控制多個燈泡，非常的酷。大家看影片就了解裡面的情境
 

這個燈泡是使用11顆LED燈去做組合，去調配出1600萬種顏色。LED壽命高達15年(不過其他無線元件是不是可以撐這麼久就不得而知了)
這個控制器內建wifi與iphone或ipad去做連結，而燈泡使用Zigbee與philips專用控制器去做連結，，所以僅需要插上燈泡座並下載apple專用APP就可以使用，，應該仍然定位在家庭內使用。雖然看起來很酷炫，不過一組控制器配上三顆燈泡就要199.95美金。而單獨一顆燈泡要59.95美金，價錢並不親民，嚴格講起來並非新的科技，而是新的創意。在Philips這樣的推波助瀾下，是開啟了更大量IP需求的前鋒，若是許多日常用品都使用無線傳輸，勢必會讓IP需求大增，IPv6便有相當大的效益。

LTE: Random Access 補充，競爭與非競爭的Random Access 適用範圍

有讀者張正廷問到以下的問題

我想請問 eNodeB paging UE 後，執行的 random access 是屬於 contention free 的 random access 嗎? 因為我想知道 paging 一個 UE，是否能保證他可以成功建立 RRC 連線

 

這個問題要分幾個部分去回答，也順便在原本的Random Access文章上做補充。

首先先講最終的答案。若EnodeB對UE作Paging必然是不可能保證可以成功建立RRC連線，中間會牽涉到許多Random Access的競爭關係。並非所有狀況的Random Access都可以適用於Contention Free的Random Access。

 

在 LTE: Random Access Procedure 隨機存取的文章中有提到Random Access 有分為Contention Free與 Contention Base，但是實際上在Contention Free的使用是有其限制的，並非所有的狀況都可以使用，就以下列出解釋

3gpp 36.300 subcluse 10.1.5中詳細寫著下列六種event會觸發Random Access的行為

1. 從RRC idle要初始化進行傳輸
2. RRC Connection Re-establishment，RRC連線的重建
3. Handover，基地台之間的Handover(RRC Connected)
4. 在RRC Connected狀態時，有Downlink資料要傳輸，卻需要Random Access，
5. 在RRC Connected狀態時，有Uplink資料要傳輸，卻需要Random Access，例如例如 UL synchronisation不同步或在PUCCH缺少Service Request資源時。
6. 在作定位時，例如 需要Timing Advance資訊時。

除此之外Random access procedure 分為兩種

- Contention based (適用於前五項event); 

- Non-contention based (僅適用於3,4,6 event)

所以要特別注意其中的用途跟差別

• 若是要使用Contenion Free，則是要在RRC Connected的狀態，而不能在RRC idle的狀態的情形，所以表示Paging所使用的Random Access必然是Contenion Based的。
• 使用Contenion Free 時，EnodeB會藉由RRC Reconfiguration 裡面的 rach-ConfigDedicated  去告知UE使用哪一個Preamble。

總結以上的說明，若是EnodeB Paging的狀況下，除了原本可能會有的信號遺失(例如Paging無法送到UE、UE離開現有tracking Area等等)的狀況外，也會產生無法避免的Contention Base的競爭。

LTE:Physical layer Concept (Frame structure, Resource Block and Resource Element 概念)

LTE Physical layer structure (Subcarrier and Frame Structure

OFDM and LTE Subcarrier Introduction


LTE在實體層使用OFDM作為主要調變的方式，這種調變方式因為有良好的通道適應性，相較於WCDMA的技術，增加了7%的額外系統容量，所以被廣泛用在通訊的領域中，例如xDSL、DAB、WLAN、WiMAX、LTE等，OFDM是將頻寬上面分為許多個子載波(subcarrier)，每個子載波再使用不同的調變方式去作傳輸，優點是相當的彈性，缺點就因為被切割得很細，所以容易會有額外的時間上的傳輸錯誤intersymbol interference(ISI)。或是載波頻率上的錯誤intercarrier interference(ICI),。有可能是QPSK、 16QAM、64QAM，依據狀況會使用不同的調變，若是要高可靠性就使用QPSK，若是要高傳輸速率就使用64QAM，而LTE中使用的OFDM，一個子載波的基本單位是 15KHz。

Resource Block(RB) and Resource Element(RE) Concept


在LTE高度彈性化的設計，不論是頻率、時間皆可以進行相當彈性的分配，也就是在時間與頻率上面做切割。所以必定要先提一下Resource Block及Resource Element的概念。知道一下RB是多大的單位。時間是多長，佔了多少頻寬，跟RE的關係在哪邊?
Resouce Element(RE):最小的調變單位是，佔了一個頻率上的Subcarrier，每個subcarrier是15KHz。時間上的一個Symbol。每個RE可以表示2bits、4bits或6bits。這跟調變的方式有關係。至於為什麼是這樣，這個是一個很大篇的故事，這邊就不多作介紹。不過觀念的部分可以參考這篇文章。所以RE意思即是，我在一個Symbol時間跟subcarrier的頻率範圍中。我可以傳2bits、4bits或6bits。
Resource Block(RB):既然有了RE為什麼還要定義RB呢?因為RB是使用者或是系統功能分配到的最小單位，也就是同一個RB內的功能皆是相同的，部會在一個RB內夾雜了User Data跟系統訊息等，如果映射到Physical Channel的話，每個Resource Block都是特定的Physical Channel，這樣功能才會相同。Physical channel跟RB的映射關係之後還會再詳述。

上圖為頻率、Symbol、RB、RE的示意圖，看的出來相當的清楚，RB就是84個RE，因為頻率上面是12組、在時間上面是7組，不過這邊要注意的是，這個範例是Normal Cyclic Prefix的範例，如果是Extend Cyclic Prefix，則時間上面一個Slot只能有6個OFDM Symbol，Cyclic Prefix(CP)的功用是用來防止OFDM的ISI效應產生，讓不同的symbol中間有緩衝，不要去干擾到其他的symbol，所以若是Extend Cyclic Prefix則是增加 CP的時間，讓intercarrier interference(ICI)的機會更低。
LTE Bandwidth Configuration 
根據LTE的頻寬設定，1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz會有不同的數量的RB可作分配 6,15,25,50,75,100。如同下表所示

也就是系統總共可以分配的RB數量。所以我們可以算算看一個RB最大的傳送效率是多少，每個RE最多傳送6個bits，在5ms/7的時間內。所以0.5ms之內已傳送84個RE(84*6個bits)。所以，可以得到每一個RB相當於1004kbits/sec，就是1Mbits/s左右。結論就是分到幾個RB就是幾個妹(大誤)。
由上述可知，：OFDM的技術縱橫在Time Domain與Frequency Domain，使得LTE在頻寬的使用率及彈性都大為提升，至於要怎麼去彈性使用這些資源，作為各種Physical Layer，下個主題會探討

LTE:Self Organizing Network(SON) 介紹

Self Organizing Network (SON) Concept

Self Organizing Network，自優化網路，這是一個跟UE沒有什麼太大關係的主題，這個功能是基地台自己會去優化自己的訊號。以往營運商在架設基地台需要花非常多的心思去調教基地台的功率、天線的垂直角度、天線的方向角，甚至需要一些專業的Planing Tool、Scaning tool、長時間的路測等等，就是為了要最佳化基地台的架設。在了解SON替營運商做了什麼事情之前，我們就敘述一下營運商在佈建基地台的流程

• Planning
  基地台的先期規劃，規劃基地台架設的地點，規劃基地台要打出多大的功率，天線傾角，等等參數
• Deployment
  實際下去佈建基地台，並設定基地台的參數，等工程類的動作
• Optimization
  基地台的最佳化，當基地台的量架設到一個程度，就會需要時常去最佳化基地台的配置，若沒有最佳話基地台的配置，多架設的基地台很有可能會形同虛設，設置干擾原有的基地台的訊號，造成反效果。
• Maintenence
  基地台的維護，當有訊號與計劃的不同，或是訊號不良時，要查找基地台是否損壞，天線是否偏移，設定錯誤等等動作。

可以看的出來Planning與Deployment是對於營運商初期架設的成本開銷，這種開銷通常叫做一次性的開銷，capital expenditures(CAPEX)，佈建時僅要支出一次的成本，而 Optimization與Maintenence算是經常性的開銷operational expenditures(OPEX)，意思就是維持網路就必須要不斷的開銷的成本，若是營運商能夠減少這兩個開銷，將會降低行動網路的成本，相對提高競爭力。

而SON的功能主要分為數個部分的功能

 

Hybrid Management Architecture	分層式的管理，讓管理結構化。
self-configuration	意指基地台架設初期時，自動對基地台做設定，盡量去做到plug and play，讓人工設定的部分減少，主要是降低Planning與Deployment中CAPEX的支出 。
self-optimization	則是降低Optimization與Maintencence的OPEX支出，並快速最佳化RF效能、Neighbor list。
Automated Fault Identification and Selfhealing	自動偵測基地台問題，並且自動修復。
User Perceived Quality Enhancement	自動感測使用者品質並加強。
Energy Saving	自動節能功能，在使用率較小的時段，降低整體功耗。
SON for Home eNodeB	針對Femto cell的Son，例如eICIC功能等。

 

我們就針對上述的項目進行詳細的敘述

Self-configuration

基地台的self-configuration分為下列幾個步驟，重點在plug and play，讓營運商在架設數以萬計的基地台時，不需一個一個去做設定。

1. 1. IP address allocation
   2. 設定GW，使EnodeB可以進行傳輸
   3. eNodeB將自身的硬體資訊傳送給self-configuration system，
   4. Self-configuration system會將設定資訊傳送給eNodeB，eNodeB收到之後會做自我設定。
   5. eNodeB設定完之後，會連接到OAM系統，方便維護人員做後續管理。
   6. 進行S1及X2 介面的連接，意即EnodeB與其他的EnodeB與MME做連接

Self-Optimization
重點在於Auto-Tune，自動調教基地台，讓網路達到最佳的效果

1. 基地台的self-optimization，基地台會量測附近基地台及UE的訊號，讓Self-Optimization系統有資料庫去調整EnodeB功率，達到RF的最佳化，如覆蓋率、容量等等。
2. 進行Automatic Neighbor Relation (ANR)維護Neighbor list，讓UE能夠收到正確的Neighbor list，進行正確的handover。以往這個步驟會耗用大量的人力、物力。必須要有人員使用Scanner長期進行路測、分析，並重新輸入基地台資訊，再路測，再分析，以達到最佳化。並隨著基地台的數量，會越來越複雜。最佳化的時間也越來越長，所以這個功能是相當相當重要的。
3. 進行Load Balancing，當SON發現某些EnodeB的負擔過大時，可自動去調整基地台參數，以達到Load Balancing的功能

Self-healing

對於基地台不正常的行為，會有自動偵測問題，警告，並修復之，例如某一個基地台損壞，中間的覆蓋率會由其他的基地台去補齊。這是個相當方便的功能，降低使用者因為基地台損壞或停電而造成不好的使用經驗。

 

 

可以看的出來功能相當強大，這也象徵著，未來要進入基地台研發的門檻又更高了，雖然是對於營運商更為強大，藍圖也開得不小，但是實際上能應用到什麼程度，目前我想還沒人知道。也沒人能確定。