LTE Radio Analy.cs Made Easy and Accessible Swarun Kumar - - PowerPoint PPT Presentation

LTE ¡Radio ¡Analy.cs ¡Made ¡Easy ¡ and ¡Accessible ¡

Swarun ¡Kumar ¡

Ezzeldin ¡Hamed, ¡Dina ¡Katabi ¡and ¡Li ¡Erran ¡Li ¡ ¡

LTE ¡– ¡A ¡Big ¡Part ¡of ¡Our ¡Lives ¡

LTE ¡is ¡Opaque ¡to ¡us ¡

Why ¡does ¡my ¡signal ¡drop ¡to ¡3G? ¡ ¡

¡

• Is ¡the ¡tower ¡over-­‑subscribed? ¡

¡

• Poor ¡coverage? ¡

And ¡If ¡I ¡Ask ¡My ¡Provider… ¡

AT&T ¡ Verizon ¡

Even ¡Providers ¡struggle ¡to ¡keep ¡pace! ¡ ¡

LTE ¡geOng ¡complex ¡– ¡macro, ¡micro, ¡femto ¡cells ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ è ¡Complex ¡Interference ¡PaRerns, ¡esp. ¡Indoors ¡ ¡ ¡

“Give ¡us ¡more ¡licensed ¡spectrum!” ¡ ¡ “Cellular ¡networks ¡will ¡collapse ¡if ¡you ¡don’t!” ¡ “Is ¡this ¡true?” ¡ “Are ¡they ¡using ¡what ¡they ¡have ¡efficiently?” ¡ ¡

LTE ¡Opaque ¡to ¡Regulators ¡too… ¡

Need ¡more ¡open ¡access ¡to ¡LTE ¡

LTEye ¡

• Open ¡plaXorm ¡to ¡monitor ¡LTE ¡ ¡

¡

• Gathers ¡per-­‑user ¡analy.cs ¡and ¡analyzes ¡

performance ¡over ¡.me ¡and ¡space ¡ ¡

• Does ¡not ¡need ¡provider ¡support ¡

LTEye’s ¡Architecture ¡

Logger ¡ Per-­‑User ¡AnalyGcs ¡ LTEye ¡ Sniffer ¡ LTEye ¡ Database ¡ Data ¡ Analyzer ¡

LTEye’s ¡Architecture ¡

Logger ¡ Per-­‑User ¡AnalyGcs ¡ LTEye ¡ Sniffer ¡ LTEye ¡ Database ¡ Data ¡ Analyzer ¡

LTEye’s ¡per-­‑user ¡analyGcs ¡preserve ¡user ¡privacy ¡

• Does ¡not ¡access ¡data ¡sent/received ¡by ¡users ¡
• Anonymized ¡PHY-­‑layer ¡User ¡IDs ¡

Overview ¡of ¡LTEye ¡

User ¡ID ¡ Qlty ¡

1 ¡ 2 ¡ 3 ¡ 4 ¡ 5 ¡ 6 ¡ 7 ¡ 8 ¡

2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡3 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡4 ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡ ¡ Link ¡Quality ¡(bits/RE) ¡

Overview ¡of ¡LTEye ¡

User ¡ID ¡ Qlty ¡

1 ¡ 2 ¡ 3 ¡ 4 ¡ 5 ¡ 6 ¡ 7 ¡ 8 ¡

Link ¡Quality ¡(bits/RE) ¡ 2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡3 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡4 ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡ ¡

Overview ¡of ¡LTEye ¡

User ¡ID ¡ Qlty ¡

1 ¡ 2 ¡ 3 ¡ 4 ¡ 5 ¡ 6 ¡ 7 ¡ 8 ¡

Temporal ¡Analy.cs ¡

0 ¡ 1 ¡ 2 ¡ 9:00 ¡AM ¡ 11:00 ¡AM ¡ 1:00 ¡PM ¡ 3:00 ¡PM ¡ 5:00 ¡PM ¡

2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡3 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡4 ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡ ¡ Link ¡Quality ¡(bits/RE) ¡

Overview ¡of ¡LTEye ¡

User ¡ID ¡ Qlty ¡

1 ¡ 2 ¡ 3 ¡ 4 ¡ 5 ¡ 6 ¡ 7 ¡ 8 ¡

2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡3 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡4 ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡ ¡

Where ¡are ¡these ¡users ¡in ¡the ¡office? ¡ ¡

Link ¡Quality ¡(bits/RE) ¡

Overview ¡of ¡LTEye ¡

User ¡ID ¡ Qlty ¡

1 ¡ 2 ¡ 3 ¡ 4 ¡ 5 ¡ 6 ¡ 7 ¡ 8 ¡

Spa.al ¡Analy.cs ¡

2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡3 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡4 ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡ ¡ Link ¡Quality ¡(bits/RE) ¡

LTEye’s ¡Per-­‑User ¡Analy.cs ¡

¡

• Temporal ¡Analy.cs ¡
• Spa.al ¡Analy.cs ¡

0 ¡ 1 ¡ 2 ¡ 9:00 ¡AM ¡ 1:00 ¡PM ¡ 5:00 ¡PM ¡

LTEye’s ¡Per-­‑User ¡Analy.cs ¡

¡

• Temporal ¡AnalyGcs ¡
• Spa.al ¡Analy.cs ¡

0 ¡ 1 ¡ 2 ¡ 9:00 ¡AM ¡ 1:00 ¡PM ¡ 5:00 ¡PM ¡

Temporal ¡Analy.cs ¡

• For ¡each ¡user ¡in ¡our ¡cell ¡monitor: ¡ ¡

à Throughput ¡ à Link ¡Quality ¡ à Loss ¡Rate ¡

¡

• Use ¡LTEye ¡sniffers! ¡

Where ¡can ¡sniffers ¡find ¡these ¡analy.cs? ¡

• Without ¡provider ¡support? ¡
• Without ¡expensive ¡hardware? ¡

Today’s ¡LTE ¡Networks ¡

Cell ¡

Today’s ¡LTE ¡Networks ¡

Cell ¡ A ¡lot ¡more ¡complex! ¡

Today’s ¡LTE ¡Networks ¡

Cell ¡

Macro ¡ Micro ¡ Pico ¡

• Heterogeneous ¡cells ¡

A ¡lot ¡more ¡complex! ¡

Today’s ¡LTE ¡Networks ¡

Cell ¡ A ¡lot ¡more ¡complex! ¡

Macro ¡ Micro ¡ Pico ¡

• Heterogeneous ¡cells ¡
• All ¡share ¡same ¡spectrum ¡

705-­‑715 ¡MHz ¡ 735-­‑745 ¡MHz ¡

Where ¡can ¡we ¡find ¡temporal ¡analy.cs? ¡

Data ¡Packets ¡

Where ¡can ¡we ¡find ¡temporal ¡analy.cs? ¡

Data ¡Packets ¡ Downlink ¡Control ¡Packets ¡ Highly ¡ ¡ Centralized ¡

• Who ¡transmits ¡@ ¡what ¡.me, ¡freq? ¡
• Every ¡PHY ¡parameter ¡under ¡the ¡sun! ¡

Where ¡can ¡we ¡find ¡temporal ¡analy.cs? ¡

Data ¡Packets ¡ Downlink ¡Control ¡Packets ¡ Highly ¡ ¡ Centralized ¡

No ¡provider ¡support ¡

• Packet ¡Size ¡à ¡Throughput ¡
• Modula.on ¡à ¡Link ¡Quality ¡ ¡ ¡
• ACKs/Retransmits ¡à ¡Loss ¡Rate ¡

Two ¡Important ¡Benefits ¡

• Uplink ¡/ ¡Downlink ¡

20-­‑60 ¡W ¡ < ¡250 ¡mW ¡

Cheap ¡hardware ¡can ¡listen ¡to ¡nearby ¡towers ¡ LTEye ¡can ¡get ¡analyGcs ¡on ¡phones ¡it ¡can’t ¡even ¡hear ¡ ¡

Two ¡Important ¡Benefits ¡

• Uplink ¡/ ¡Downlink ¡
• PHY ¡Layer ¡User ¡ID ¡

20-­‑60 ¡W ¡ < ¡250 ¡mW ¡

User ¡IDs ¡change ¡over ¡Gme; ¡Must ¡ensure ¡consistency ¡ ¡ à à ¡Details ¡in ¡our ¡paper ¡

LTEye ¡Database ¡

LTEye ¡ Database ¡ Data ¡ Analyzer ¡

• Packet ¡Size ¡
• Modula.on ¡
• Loss ¡Rate ¡
• Uplink ¡/ ¡Downlink ¡
• PHY ¡User ¡ID ¡

LTEye ¡Temporal ¡Analy.cs ¡

LTEye ¡Temporal ¡Analy.cs ¡

ü ¡Is ¡LTE ¡Spectrum ¡used ¡Efficiently? ¡ ¡

Network ¡U.liza.on ¡

• LTE ¡uses ¡equal ¡bands ¡for ¡uplink ¡and ¡downlink ¡

¡ AT&T ¡ Verizon ¡

Network ¡U.liza.on ¡

• LTE ¡uses ¡equal ¡bands ¡for ¡uplink ¡and ¡downlink ¡

¡ AT&T ¡ Verizon ¡

Network ¡U.liza.on ¡

• LTE ¡uses ¡equal ¡bands ¡for ¡uplink ¡and ¡downlink ¡

¡ AT&T ¡ Verizon ¡

Network ¡U.liza.on ¡

• LTE ¡uses ¡equal ¡bands ¡for ¡uplink ¡and ¡downlink ¡

¡ AT&T ¡ Verizon ¡

Nearly ¡2 ¡x ¡resources ¡for ¡high-­‑demand ¡downlink ¡ using ¡vacant ¡uplink ¡spectrum! ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

< ¡5 ¡% ¡

LTEye ¡Temporal ¡Analy.cs ¡

ü ¡ ¡Is ¡LTE ¡Spectrum ¡used ¡Efficiently? ¡ ¡ ü ¡ ¡Why ¡is ¡LTE ¡poor ¡in ¡some ¡spots ¡ ¡ ¡ ¡ ¡of ¡my ¡building? ¡ ¡

5 ¡Bar ¡Paradox ¡

Verizon ¡LTE ¡

5 ¡Bar ¡Paradox ¡

• Placed ¡LTEye ¡sniffers ¡at ¡these ¡loca.ons… ¡

5 ¡Bar ¡Paradox ¡

• Placed ¡LTEye ¡sniffers ¡at ¡these ¡loca.ons… ¡

~ ¡30 ¡dB ¡ Inter-­‑Cell ¡Interference ¡ 5 ¡different ¡towers ¡interfered! ¡

5 ¡Bar ¡Paradox ¡

• Placed ¡LTEye ¡sniffers ¡at ¡these ¡loca.ons… ¡

~ ¡30 ¡dB ¡ Inter-­‑Cell ¡Interference ¡ 5 ¡different ¡towers ¡interfered! ¡

• Complex ¡Deployments ¡à

à ¡Complex ¡Interference ¡

• Providers ¡cannot ¡drive ¡test ¡indoors! ¡

LTEye ¡can ¡help ¡providers ¡learn ¡indoor ¡performance ¡

LTE ¡Insights ¡

ü ¡Is ¡LTE ¡Spectrum ¡used ¡Efficiently? ¡ ¡ ü ¡Why ¡is ¡LTE ¡poor ¡in ¡some ¡spots ¡ ¡ ¡ ¡ ¡of ¡my ¡building? ¡ ü ¡Is ¡LTE ¡network ¡configured ¡efficiently? ¡

Excessive ¡Control ¡Overhead ¡

Time ¡

}

Flexible ¡Size ¡

Control ¡ ¡ Channel ¡ Data ¡ ¡ Channel ¡ Data ¡ ¡Packets ¡ Control ¡Packets ¡

Excessive ¡Control ¡Overhead ¡

Time ¡

}

Control ¡ ¡ Channel ¡ Data ¡ ¡ Channel ¡

Low ¡Demand ¡

Data ¡ ¡Packets ¡ Control ¡Packets ¡

Excessive ¡Control ¡Overhead ¡

Time ¡

}

Control ¡ ¡ Channel ¡ Data ¡ ¡ Channel ¡

High ¡Demand ¡

Data ¡ ¡Packets ¡ Control ¡Packets ¡

This ¡is ¡not ¡always ¡followed… ¡

• Verizon ¡sta.ons ¡always ¡use ¡maximum ¡size ¡

Percentage ¡of ¡ ¡ total ¡spectrum ¡(%) ¡ Max ¡Allowed ¡

This ¡is ¡not ¡always ¡followed… ¡

• Verizon ¡sta.ons ¡always ¡use ¡maximum ¡size ¡

Percentage ¡of ¡ ¡ total ¡spectrum ¡(%) ¡ Max ¡Allowed ¡

Reserved ¡

This ¡is ¡not ¡always ¡followed… ¡

• Verizon ¡sta.ons ¡always ¡use ¡maximum ¡size ¡

> ¡10% ¡Wasted ¡ ¡ Spectrum ¡

Percentage ¡of ¡ ¡ total ¡spectrum ¡(%) ¡

Reserved ¡ Used ¡

Max ¡Allowed ¡

10% ¡of ¡spectrum ¡waste ¡= ¡nearly ¡$500 ¡Million! ¡ ¡ ¡

LTEye’s ¡Per-­‑User ¡Analy.cs ¡

¡

• Temporal ¡AnalyGcs ¡
• Spa.al ¡Analy.cs ¡

0 ¡ 1 ¡ 2 ¡ 9:00 ¡AM ¡ 1:00 ¡PM ¡ 5:00 ¡PM ¡

User-­‑7 ¡

¡

• Temporal ¡Analy.cs ¡
• SpaGal ¡AnalyGcs ¡

LTEye’s ¡Per-­‑User ¡Analy.cs ¡

0 ¡ 1 ¡ 2 ¡ 9:00 ¡AM ¡ 1:00 ¡PM ¡ 5:00 ¡PM ¡

User-­‑7 ¡

Spa.al ¡Analy.cs ¡

“Localize ¡LTE ¡Users” ¡ ¡ ¡ ¡

Antenna ¡arrays ¡with ¡good ¡accuracy ¡needs ¡ very ¡many ¡antennas ¡

Synthe.c ¡Aperture ¡Radar ¡(SAR) ¡

θ ¡ θ' ¡

Angle ¡ 0° ¡ 360° ¡ Power ¡

Synthe.c ¡Aperture ¡Radar ¡(SAR) ¡

ß ¡θ ¡

Challenge: ¡Mul.path ¡

¡ ¡ ¡ ¡LTE ¡penetrates ¡walls ¡beRer ¡

Angle ¡ 0° ¡ 360° ¡ Power ¡

Challenge: ¡Mul.path ¡

¡ ¡ ¡ ¡LTE ¡penetrates ¡walls ¡beRer ¡

Angle ¡ 0° ¡ 360° ¡ Power ¡

Which ¡peak ¡corresponds ¡to ¡direct ¡path? ¡

? ¡ ? ¡ ? ¡

Key ¡Observa.on ¡

Angle ¡ 0° ¡ 360° ¡ Power ¡

Direct ¡path ¡is ¡shortest ¡ à ¡Path ¡with ¡least ¡delay ¡ ¡

But, ¡which ¡path ¡has ¡the ¡shortest ¡delay? ¡

Our ¡Solu.on ¡

Angle ¡ 0° ¡ 360° ¡ Power ¡

• 1. Iden.fy ¡peaks ¡

r(t) ¡= ¡s(t) ¡+ ¡s’(t)+ ¡s’’(t) ¡

Our ¡Solu.on ¡

• 1. Iden.fy ¡peaks ¡
• 2. Apply ¡filter ¡around ¡each ¡peak ¡
• 3. Compute ¡delay ¡T ¡of ¡the ¡path ¡

Angle ¡ 0° ¡ 360° ¡ Power ¡

Delay ¡= ¡T ¡

{ ¡

r(t) ¡= ¡s(t) ¡+ ¡s’(t)+ ¡s’’(t) ¡

Es.mate ¡Delay ¡T ¡of ¡First ¡Path ¡

LTE ¡uses ¡OFDM ¡à ¡Transmits ¡at ¡many ¡frequencies ¡

• ­‑1 ¡
• ­‑0.8 ¡
• ­‑0.6 ¡
• ­‑0.4 ¡
• ­‑0.2 ¡

Time ¡(secs) ¡

f1 ¡ s(t) ¡

Es.mate ¡Delay ¡T ¡of ¡First ¡Path ¡

LTE ¡uses ¡OFDM ¡à ¡Transmits ¡at ¡many ¡frequencies ¡ Both ¡frequencies ¡start ¡together ¡à ¡Same ¡phase ¡

• ­‑1 ¡
• ­‑0.8 ¡
• ­‑0.6 ¡
• ­‑0.4 ¡
• ­‑0.2 ¡

Time ¡(secs) ¡

f2 ¡ f1 ¡

t ¡= ¡0 ¡

s(t) ¡

Es.mate ¡Delay ¡T ¡of ¡First ¡Path ¡

LTE ¡uses ¡OFDM ¡à ¡Transmits ¡at ¡many ¡frequencies ¡ ¡Frequencies ¡rotate ¡at ¡different ¡speeds ¡ ¡

• ­‑1 ¡
• ­‑0.8 ¡
• ­‑0.6 ¡
• ­‑0.4 ¡
• ­‑0.2 ¡

Time ¡(secs) ¡

f2 ¡ f1 ¡ T ¡ s(t) ¡

Es.mate ¡Delay ¡T ¡of ¡First ¡Path ¡

LTE ¡uses ¡OFDM ¡à ¡Transmits ¡at ¡many ¡frequencies ¡

Different ¡frequencies ¡exhibit ¡different ¡phases ¡

ϕ1 ¡= ¡2πf1T ¡ ϕ2 ¡= ¡2πf2T ¡ ¡ Δϕ= ¡ ¡2π ¡Δf ¡T ¡ ¡

? ¡

• ­‑1 ¡
• ­‑0.8 ¡
• ­‑0.6 ¡
• ­‑0.4 ¡
• ­‑0.2 ¡

Time ¡(secs) ¡

f2 ¡ f1 ¡ T ¡ s(t) ¡

Angle ¡ 0° ¡ 360° ¡ Power ¡

T ¡

Es.mate ¡Delay ¡T ¡of ¡First ¡Path ¡

Repeat ¡for ¡Each ¡Path ¡

Angle ¡ 0° ¡ 360° ¡ Power ¡

T ¡ T’ ¡

Repeat ¡for ¡Each ¡Path ¡

Angle ¡ 0° ¡ 360° ¡ Power ¡

T ¡ T’’ ¡ T’ ¡

Repeat ¡for ¡Each ¡Path ¡

Angle ¡ 0° ¡ 360° ¡ Power ¡

• Find ¡which ¡path ¡is ¡the ¡least ¡delayed ¡LOS ¡path ¡
• LTEye ¡knows ¡correct ¡direcGon ¡of ¡cellphone ¡

LTEye ¡can ¡obtain ¡SpaGal ¡AnalyGcs ¡despite ¡mulGpath ¡

¡

T ¡ T’’ ¡ T’ ¡

> ¡ < ¡

Combining ¡Temporal ¡& ¡Spa.al ¡Analy.cs ¡

34 ¡m ¡ 60 ¡m ¡

Combining ¡Temporal ¡& ¡Spa.al ¡Analy.cs ¡

Link ¡Quality ¡(bits/RE) ¡ 2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡3 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡4 ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡ LTEye ¡ DB ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

LTEye ¡ DB ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡3 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡4 ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡

Combining ¡Temporal ¡& ¡Spa.al ¡Analy.cs ¡

Link ¡Quality ¡(bits/RE) ¡

LTEye ¡achieves ¡43 ¡cm ¡median ¡accuracy ¡in ¡cellphone ¡ posiGon ¡along ¡each ¡of ¡x, ¡y, ¡z ¡

2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡3 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡4 ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡ LTEye ¡ DB ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Combining ¡Temporal ¡& ¡Spa.al ¡Analy.cs ¡

Link ¡Quality ¡(bits/RE) ¡

LTEye ¡– ¡A ¡versaGle ¡tool ¡to ¡debug ¡LTE ¡performance ¡

Conclusion ¡

• Open ¡plaXorm ¡to ¡monitor ¡LTE ¡without ¡provider ¡

support ¡ ¡

• Gathers ¡per-­‑user ¡spa.al ¡and ¡temporal ¡analy.cs ¡ ¡
• Insights ¡on ¡performance, ¡problems, ¡e.g. ¡inter-­‑

cell ¡interference ¡and ¡inefficient ¡spectrum ¡usage ¡