教育部補助「行動寬頻尖端技術跨校教學聯盟第二期計畫 -- 行動寬頻網路與應用 -- 小細胞基站聯盟中心」 課程模組： 「LTE-Small Cell 核心網路架構及服務」 實驗-L3：UE傳送不同的Traffic Types 與QoS的影響 計畫主持人：許蒼嶺 (國立中山大學 電機工程學系) 授課教師：萬欽德 (國立高雄第一科技大學 電腦與通訊工程系)

Outline Handover實驗架構與環境 軟硬體需求 Priority handover 之考量 開機流程及換手基本資料觀測 以 ITRI Small Cell 實作 Priority Handover 附錄A: 架設 VoD 影音串流伺服器 ※本教材製作參考工研院所提供之資料編撰而成。

Handover實驗架構與環境

Handover實驗架構 實驗架構由兩台eNB連接一台Hub，由Hub再連接到EPC，之後再由EPC連接到光纖Switch，透過Switch連接Internet完成基本架構。無線的部分，包括四支手機，每支手機分別使用不同的Traffic，手機由eNB1朝eNB2的方向移動，探討Handover情況。

Handover實驗環境 利用多台自走車分別載著手機以相同的速度從eNB1朝eNB2移動，為了確保自走車依照設定的方向移動，在自走車上加裝循跡模組，地上則黏貼黑色膠帶，讓尋跡模組感測黑色膠帶並控制自走車馬達轉速，讓自走車能等速同步循著黑線移動。

軟硬體需求

實驗設備 (1/2) 硬體 名稱 規格 數量 目的 EPC OS: Ubuntu 14 CPU: Intel i7 series RAM: DDR3(1600) HDD: SATA3 1TB 1 具有MME、S- GW、P-GW Ethernet Network Card 2 一張連外部網路， 一張連內部網路 eNodeB ARM Linux (ITRI 基站) LTE基地台連接 EPC UE HTC Desire D728 (含ITRI提供之Sim卡) 6 連接eNodeB

實驗設備 (2/2) 軟體 軟體名稱 版本 目的 Ubuntu 14 EPC使用 LTE L2/L3程式 Ltel 23 執行兩台Small Cell運作 VLC Server/Player 2.0.5 產生影音串流 Darwin stream server 5.5.5 Skype 6.20.11.104 進行視訊會議 Linphone 3.1.1 進行網路電話 Chrome   產生TCP Packet Wireshark 封包擷取軟體 (Ubuntu之軟體) G-NetTrack Lite Android手機軟體

Traffic Types (1/5) Video Conferencing Voice over IP (VoIP) Video Streaming TCP-based

Traffic Types (2/5) Video Conferencing Skype是一個提供即時影音、資料、訊息傳輸的軟體，Skype可以根據網路狀況調整影像品質的Adaptive Video Coding功能，並且提供多點視訊的功能，讓多人同時進行視訊會議。

Traffic Types (3/5) Voice over IP (VoIP) Linphone是一個提供免費網路電話的軟體，使用者透過SIP協定與Linphone的Server聯繫詢問對方通話端的資訊，再以RTSP協定將聲音壓縮，利用IP Packet進行傳輸。

Traffic Types (4/5) Video Streaming VLC是可提供影音串流及伺服器功能的軟體，影片的來源可包括光碟、檔案、網路串流或鏡頭擷取的即時影像。在串流方面可以使用RTP、UDP Protocol來進行，也可以調整編碼、解碼、play-out buffer size、解析度等參數，在影音串流傳輸的功能可說是十分完整。

Traffic Types (5/5) TCP-based Web browsing是智慧型4G手機的基本功能，像這類文字訊息的資料型態，必須採用TCP協定傳輸，因為文字訊息是不能有bit error的，而TCP協定具偵測錯誤並有重傳機制，利用開啟Web可產生實驗所需要的traffic。

Priority Handover 之考量

Priority Handover Priority handover 針對網路上經常使用的四種不同Traffic型式，分析其特性並決定每一種Traffic的重要性優先順序。 基本的 LTE 換手機制主要是基於RSRP因素，Priority handover則是在換手機制之中加入不同Traffic型式的優先順序設定。 多部UE同時進行換手時，將依據各UE當時使用的Traffic型態來決定其換手的順序。 在我們的實驗環境中，四種使用不同Traffic的UE要同時換手時，將根據其Traffic的重要性來依序換手。

Traffic Priority (1/2) Video conference 屬於 live streaming 的一種，例如現場直播球賽，比賽現場透過攝影機取得影像進行即時影音壓縮後透過網路傳送。為了提供即時的影音給遠端觀看的使用者，如果比賽現場與網路直播有明顯秒差將不符合 live streaming 的特性，因此我們將 Video conference 排定為這四種 Traffic 之中優先順序第一的 Traffic 型態。 VoIP 也是屬於 live streaming 的一種，發話端的聲音透過手機藉由 TCP/IP 傳至受話端，從發話到對方聽到聲音，不能有太久的時間延遲。然而，比起 Video conference，VoIP 只需傳送聲音，data rate 相對較低，所以我們可排定 VoIP 的重要性略低於 Video conference，為優先順序第二的 Traffic 型態。

Traffic Priority (2/2) Video streaming 在目前的播放型態會在播放之前預留若干秒的 Buffer，等 Buffer 中的資料達到一定的frame數才會開始播放。由於有 Buffer 緩衝，隨後的 packets 就能有較多的容忍時間，不像 live streaming 那麼緊急，因此我們將 Video streaming 排定為這四種 Traffic 之中優先順序第三的 Traffic 型態。 TCP-based 的資料，例如FTP、E-mail…等，基本比較沒有即時性的需求，因此我們將 Video streaming 排定為這四種 Traffic 之中優先順序第四的 Traffic 型態。

開機流程及換手基本資料觀測

eNodeB 開機 執行 eNB 開機流程: PHY, LMAC, and UMAC/RLC/PDCP MME ~/agent/s.sh MME ~/mmed RRM (w/ X2AP, S1AP, IP forwarding) ~/enbd RRC ~/ltel23 ※ 參閱「實驗-L1」的「附錄-A: LTE-Small Cell 的實驗設定」講義內容

Attach 當UE開機或是關閉飛航模式時，UE會透過 Attach程序向行動電信網路註冊，以使用電信網路服務。 在eNB系統與EPC建立連線後，手機就可以連上4G網路。若手機無反應，可以重開機或開啟飛航模式開關，讓手機重新偵測訊號，連線狀態將可看到已自動連上 EPC。

(neighbor_rsrp > s_rsrp + 5) && (neighbor_rsrp > 55) Handover Trigger 在 RRM source code 中 handover 程式檔 在rrc_cell.c 檔案放在 /home/root/20150825/enbd_20150824/rrc 在 rrc_cell.c 程式中使用的判斷為以下參數: 我們採用的Handover決策為 A3和A4。 如果UE量測到Neighbor eNB的RSRP大於目前UE所連線eNB的RSRP加offset且Neighbor eNB的RSRP大於55，則滿足Handover 觸發的條件。 (neighbor_rsrp > s_rsrp + 5) && (neighbor_rsrp > 55)

MME顯示UE的情況 ITRI Handover的換手訊息可以透過終端機視窗看到，在EPC開啟MME的終端機上輸入 s，可以看到目前有一支手機正連上第一台Small cell (IP Address為10.101.131.8)。

RRC和RRM視窗顯示換手訊息 (1/3) 當UE從第一台Small cell (IP Address為10.101.131.8)換手到第二台Small cell (IP Address為10.101.131.14)時，可以在第一台Small cell的終端機視窗看到換手訊息，如圖。

RRC和RRM視窗顯示換手訊息 (2/3) 再從MME的終端機上輸入 s 可以看到目前手機已經連上第二台Small cell (IP Address為10.101.131.14)，如圖。

RRC和RRM視窗顯示換手訊息 (3/3) UE 換手到第二台 Small cell (IP Address為10.101.131.14)，也可以從第二台 Small cell 的終端機視窗看到UE換手的訊息出現，如圖。

以 ITRI Small Cell 實作 Priority Handover

Handover Procedure

ITRI的換手流程步驟 (1/5) 當S-eNB的RRC收到UE回報的MR時，RRC會再將MR送到 RRM的換手決策(Handover Decision)並判斷UE是否需要換 手。 ITRI的換手決策是採用A3與A4的換手事件，因此當UE符 合兩種換手事件時，S-eNB的RRM會往RRC發送 RRC_HO_INFO_REQ，並將N-eNB設定為UE的目標基地 台(Target eNB, T-eNB)。

ITRI的換手流程步驟 (2/5) S-eNB的RRC收到RRC_HO_INFO_REQ後會回傳 RRC_HO_INFO_CFM給RRM，並緊接著RRM會將UE的 訊息夾帶到X2AP_HO_REQ並發送給T-eNB。 T-eNB的RRM收到X2AP_HO_REQ後會接著發送 RRC_HO_PREPAR_REQ給T-eNB的RRC。

ITRI的換手流程步驟 (3/5) T-eNB的RRC收到RRC_HO_PREPAR_REQ後會回傳 RRC_HO_PERPAR_CFM給T-eNB的RRM，並且發送 X2AP_HO_REQ_ACK給S-eNB，則S-eNB的RRM收到後 會接著發送RRC_HO_CMD_REQ給RRC。 S-eNB的RRC收到RRC_HO_CMD_REQ後會接著發送 RRC_HO_CMD_CFM給RRM與 RRC_Connection_Reconfiguration給UE。

ITRI的換手流程步驟 (4/5) 當UE收到RRC_Connection_Reconfiguration後會開始跟T-eNB進 行訊號的同步，並當訊號同步完成後回傳 RRC_Connection_Reconfiguration_complete給T-eNB的RRC，則 RRC收到後會接著發送RRC_HO_CFM_IND給T-eNB的RRM， 再透過RRM發送S1AP_PS_REQ給MME。 當MME收到S1AP_PS_REQ後會開始改變UE的使用者平面封包 路徑，並回傳S1AP_PS_RSP給T-eNB的RRM，則RRM收到後會 接著發送RRC_HO_PS_IND給T-eNB的RRC，當RRC收到後會發 送X2AP_UE_RELEASE給S-eNB。

ITRI的換手流程步驟 (5/5) S-eNB的RRM收到X2AP_UE_RELEASE後會往S-eNB的 RRC發送RRC_CON_REL_REQ。 當RRC收到後會回傳RRC_CON_REL_CFM給S-eNB的 RRM，當RRM收到後代表完成整個ITRI的換手流程。

偵測 UE 傳輸的資料型態 Example: UE 資料型態 EPC eNB Server UE 乙太網卡 Traffic request (VOD) Traffic type Port number VC (Skype) 50000 VoIP (Linphone) 3478 VOD (VLC) 554 FTP (AndFTP) 25 得知 UE 要使用 VOD

實作 Priority Handover (1/2) 以 ITRI 的 Small cell 實作 Priority handover: 當所有的 UEs 同時回報 Measurement report 時，RRC 回報 Measurement report 給 RRM 的順序是不一定的。 可在 HO Decision 進行修改，重新排序每個 UE 發出 HO request 的順序來達成我們要的目的。

實作 Priority Handover (2/2) 觀察多台使用不同 Traffic 的 UE 同時換手: 在 eNB 的 RRM 視窗觀察並記錄: 發送每個 UE 的 RRC_HO_INFO_REQ 的時間 收到RRC_CON_REL_CFM 的時間 觀察上述多台使用不同 Traffic 的 UE 執行 Handover 的開始時間與結束時間，並比較所得到的結果與 Priority handover 的差異。

實作方式 使用6支手機 (UEs) 進行 ITRI LTE-Small Cells 的 Handover實驗 4支手機同步移動並同時換手 2支手機固定位置，與移動的手機執行Skype視訊和VoIP。 在 EPC 撰寫程式偵測內網的乙太網卡，抓取 UE 所提出的 Traffic Request，以知道 UE 使用的 Traffic Type。 記錄 UE 換手的開始時間和完成時間，並計算 Handover Delay。 修改 ITRI LTE-Small Cells 的 RRM，實作完成 Priority Handover 確認 UE 使用的 Traffic Type 後，系統必須要傳一個訊息給 MME，要求 MME 給 UE 的 Bearer 加上 QCI。 測量並記錄每支手機的開始換手時間與結束時間，並計算Priority Handover 的 Handover Delay。

參考資料 ITRI Small Cell 平台說明文件(工研院提供) LTE Small Cell測試報告書 中山大學電機系與資工系實驗教材

附錄A: 架設 VoD 影音串流伺服器

Darwin Streaming Server 設定 在一台Linux系統安裝Darwin Streaming Server 開啟Firefox瀏覽器輸入 http://127.0.0.1:1220 進入Server的登入畫面 輸入帳號密碼進入Darwin設定畫面，點選並設定playlist 將 available content 影片拖曳到 Items in This Playlist 並點選下方Save Changes 在 Playlist 清單中點選播放鈕，代表 Darwin Streaming Server 啟動Streaming 功能。

UE筆電(或PC)設定 在筆記型電腦插上 LTE dongle (內部放置一張特製的 SIM Card)，並安裝LTE dongle驅動程式。(以 LTE dongle Bandrich BandLuxe 為例。) 在筆電安裝VLC軟體用來連接 Darwin Streaming Server 設定好的串流影片。 透過筆電的 Wireshark 軟體量測VOD影片的 Throughput 與Packet Loss Ratio。

Dongle設定過程 (1) 將 dongle USB 插入筆電，Windows系統會自動讀取並顯示一台光碟機，點選光碟內容的 setup 安裝檔以安裝 dongle 驅動程式與連線軟體 執行 Connection manager 啟動連線軟體，點選主選單進行初始設定。 (以 LTE dongle Bandrich BandLuxe 為例。)

Dongle設定過程 (2) 在選單中點選進入連線設定。 (以 LTE dongle Bandrich BandLuxe 為例。)

Dongle設定過程 (3) 在連線設定畫面中點選新增，依照圖示內容輸入 設定好點選儲存。 連線名稱：自訂(例如LTE) 電話號碼：*99# APN：internet 設定好點選儲存。

Dongle設定過程 (4) 設定好連線參數後記得將新增的連線點選預設，將這條新增設定檔設定為預設連線。 回主選單點選設定。

Dongle設定過程 (5) 在 “一般” 選項中 啟動時撥接：可自行決定要自動或手動撥接 (預設是打勾) 連線模式：選擇NDIS 在dongle設定過程中系統網路連線可能會出現一個撥號連線(如右圖)，在連線模式中的NDIS是區域網路連線，modem模式是撥號連線。 不要選modem模式，因為 Wireshark 記錄不到撥號模式的連線訊息。

Dongle設定過程 (6) 設定之後點選連線就會連上eNB並在連線軟體上顯示已連線LTE。

測試方法 使用Darwin VOD 使用LTE Dongle在UE進行VOD串流時，我們使用Darwin Stream Server當作串流的來源，並使用VLC當作影音播放軟體，利用VLC的開啟網路串流設定 URL 向 Darwin Stream Server 提出 Request，播放 Darwin Stream Server的Traffic 輸出。 在 Small Cell 測試場域裝設一台前述之 Darwin Streaming Server。 在 LTE Dongle 連上 eNB 之後，利用 VLC 向 Darwin Video Server 提出 Video Request。 Darwin Streaming Server 收到 Request之後，將 Video Packet 傳送至 LTE Dongle。 當 LTE Dongle 收到 Video Packet，VLC 開始播放以後，進行測量 Throughput 及 Packet Loss Ratio。

測試步驟 筆電 dongle 首先連上 eNB (例: IP:10.101.131.6) 在 VLC 軟體開啟網路串流，輸入欲連接的 Darwin Streaming Server主機 IP 與設定好的影片URL 在 VLC 連接 Darwin Streaming Server 播放VOD 時，透過筆電的 Wireshark 開啟 Statistics 選項的summary視窗，記錄串流影片傳輸的Throughput。 另外，找到 Telephony 選項的 RTP 第二層選項的 Show All Streams 顯示所有串流，可看到視窗上顯示正在 Streaming的 Packet Loss Ratio。

Wireshark 設定 (1/2) 開啟Wireshark軟體，若已經知道 dongle 是哪個區域連線 直接點選該連線 點選 start 即開始記錄

Wireshark 設定 (2/2) 開啟Wireshark軟體 點選 Capture>Interfaces 點選 dongle 網卡後start開始記錄

VLC開啟網路串流 開啟VLC，點選媒體>開啟網路串流。 在網址輸入Darwin Streaming Server的串流影片位址 rtsp://140.117.89.82/5cm_1.0M.mp4 (圖例)

VLC 播放畫面 在 Windows 筆電使用 dongle 連線 Darwin Streaming Server 的串流影片

Wireshark 設定 (UDP轉RTP) VLC軟體播放 Streaming Video 時 Wireshark 預設使用UDP Protocol 進行 Decoding，必須 Decode成 RTP 才能觀察到 Packet Loss Ratio 統計 點選 “Analyze>Decode As”，在 Transport 畫面右側清單中找到 RTP 點選Apply。

量測 Packet Loss Ratio 設定 Decode As RTP後，將會看到 Wireshark 記錄的 Protocol 變成 RTP 點選 Telephony>RTP>Show All Streams (須將 UDP 轉 RTP 才可呈現Packet Loss Ratio)

Packet Loss Ratio 在 Detected RTP Streams 畫面可看到 Src : addr & port Dst : addr & port Packets Lost: (%)

Throughput 點選 Statistics>Summary (可以看到VOD影片的Throughput)