planificatoare pentru reţelele lte; lte scheduler
Post on 28-Nov-2015
155 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Tehnologia și arhitectura rețelei LTE
- Planificatoare de resurse pentru reţelele LTE -
( LTE schedulers )
Coordonator: Student
Prof. As. Şerban Obreja Cosmin Tudorache
Master: TSAC I
Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, ETTI-TSAC 2013
Pagina 2
Cuprins
1. Introducere
1.1. Scurt Istoric
2. Dezvoltarea tehnologiei LTE
2.1. Principiile tehnologiei LTE
2.1.1. Transmisia Downlink ȋn tehnologia LTE
2.1.2. Transmisia Uplink ȋn tehnologia LTE
3. Conceptele MIMO LTE
4. Conceptele MBMS LTE
5. Concluzie
Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, ETTI-TSAC 2013
Pagina 3
Abrevieri
3GPP – Third Generation Partnership Project
ACK/NACK – Acknowledgement/Negative Acknowledgement
AGW - Acces Gateway
BS – Basic Station
CP – Cyclic Prefix
DwPTS – Downlink Pilot Time Slot
EDGE – Enhanced Data Rates for GSM Evolution
eNode B – evolved NodeB
E-UTRA – Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network
FFT – Fast Fourier Transformation)
HARQ – Hybrid Automatic Repeat Request
HSPA – High Speed Packet Access
HSS – Home Subscriber Server
LTE – Long Therm Evolution
MBMS – Multimedia Broadcast Multicast Service
MBSFN – Multi-Media Broadcast over a Single Frequency Network
MIMO – Multiple Input Multiple Output
MU-MIMO – Multi-user MIMO
SU-MIMO – Single-user MIMO
MME – Mobility Management Entity
MSC, MS – Mobile Switching Centre
NRB – Number of Resource Blocs
OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing
PBCH – Physical Broadcast Channel
PCRF – Policy and Charging Rules Function
PCFICH – Physical Control Format Indicator Channel
PDCCH – Physical Downlink Control Channel
PDSCH – Physical Downlink Shared Channel
PHICH – Physical Hybrid ARQ Indicator Channel
PMCH – Physical Multicast Channel
PUCCH – Phisical Uplink Control Channel
PURCH – Phisical Uplink Random Channel
PUSCH – Physical Uplink Shared Channel
QAM – Quadrature Amplitude Modulation
QPSK – Quadrature Phase Shift Keyed
RAN – Radio Acces Network
SAE – System Architecture Evolution
SC-FDMA – Single-carrier FDMA
SGW – Serving Gateway
TA – Terminal Abonat
UMTS – Universal Mobile Telecommunications System
UPE – User Plane Entity
UpPTS – Uplink Pilot Time Slot
Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, ETTI-TSAC 2013
Pagina 4
1. Introducere
Comunicațiile mobile au cunoscut o dezvoltare explozivă în ultimii ani, pătrunzând în
cele mai diverse domenii și cuprinzînd tot mai multe tehnologii. Rețelele wireless completează și
chiar înlocuiesc rețelele cablate în multe locuințe și birouri. În completarea rețelelor wireless vin
rețelele de telefonie mobilă care oferă rate de transfer comparabile cu rețelele wireless, dar cu
avantajul unei acoperiri mai mari. Serviciul de broadband mobil este un adevărat succes ȋn
ȋntreaga lume şi a devenit la ora actuală o necesitate, motiv pentru care majoritatea operatorilor
de reţele mobile ȋl includ ȋn ofertă.
Industria de telecomunicații se confruntă cu apariția unui număr larg de tehnologii
competitive și performante. În scopul de a rămâne competititv pe termen lung, 3GPP a inițiat o
activitate a dezvoltării de lungă durată a rețelelor universale terestre de radio acces. Soluția 3GPP
este LTE, care reprezintă un sistem de bandă largă (lucrând atât în diapazonul sub 5 MHz, cît
ajungînd și la valorile benzii de 20 MHz). Dacă în sistemele 2G și 3G principalul accent se pune
pe traficul de voce, iar traficul de date vine ca un supliment, atunci LTE este unul din primele
standarde care a fost dezvoltat special pentru traficul de date. Una din cerințele LTE rămâne a fi
menținerea vitezelor de vârf a traficului de date, care să ajungă până la 100 Mbps şi chiar să
depaşească. Mai mult ca atât, timpul răspunsului la trimiterea pachetelor scurte de date spre RAN
trebuie să nu depășească 10 ms. Aceasta semnifică faptul că tehnologia LTE, mai mult decît
orice altă tehnologie, răspunde la cerințele esențiale impuse pentru sistemele 4G.
Rețelele viitorului trebuie să fie utilizate nu numai pentru comunicații, dar și pentru
transmiterea datelor video, TV mobil, muzică, internet de înaltă viteză, având o calitate
superioară a transmisiei.
1.1. Scurt istoric
Sistemele celulare de comunicaţii mobile au fost dezvoltate, iniţial, în trei generaţii
distincte:
- Generaţia 1 (1G): a fost destinată să ofere un singur serviciu, cel vocal; a apărut
ȋncă din 1980. Erau sisteme cu prelucrare analogică a semnalului, funcţionând în benzile de 450
MHz sau 800-900 MHz. În prezent sistemele de generaţia 1 sunt la finalul carierei, fiind scoase
din exploatare în multe dintre ţările în care au funcţionat.
- Generaţia 2 (2G): a fost iniţial destinată să ofere servicii vocale, având în acelaşi
timp şi o capacitate limitată pentru serviciile de transmisii de date, cu viteză relativ redusă. Sunt
sisteme cu prelucrare digitală a semnalului, cu funcţionare în benzile de 900 MHz şi 1800 MHz;
un exemplu de astfel de sistem este GSM. Primele sisteme GSM au fost introduse în exploatare
în 1991, iar în prezent sunt la apogeul dezvoltării lor; prin folosirea transmisiei cu pachete de
date, prin procedeul GPRS ,viteza de transmisie poate fi de până la 172 kbit/s (prin comparaţie
cu viteza de 14,4 kbit/s oferită în faza 1 de dezvoltare). Devine astfel posibilă realizarea unor
transmisii de tip multimedia.
- Generaţia 3 (3G): oferă viteze de transmisie sporită, de până la 2 Mbit/s (în
unele variante până la 8 Mbit/s) şi prezintă posibilităţi multiple pentru servicii multimedia de
calitate şi pentru operare în medii diferite. Sunt sisteme cu prelucrarea digitală a semnalului, ce
funcţionau, initial, în banda de 2 GHz. La nivel mondial, 3G este desemnat ca şi standard: IMT-
2000, iar varianta dezvoltată în Europa este denumită UMTS. Introducerea în exploatare a
primelor sisteme 3G a fost realizată în 2001-2002.
Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, ETTI-TSAC 2013
Pagina 5
Reţelele UMTS la nivel mondial au fost modernizate ȋn HSDPA (High Speed Downlink
Packet Access), pentru a creşte rata de transfer şi capacitatea pentru descărcarea datelor. În
următoarea etapă, HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) sporeşte performanţele de uplink
în reţelele UMTS. În timp ce HSDPA a fost introdus ȋn versiuna a 5-a 3GPP, HSUPA este o
caracteristică importantă a 3GPP versiunea a 6-a. Combinaţia de HSDPA şi HSUPA este adesea
menţionată ca HSPA. Cu toate acestea, chiar şi cu introducerea HSPA, evoluţia tehnologiei
UMTS nu s-a terminat. HSPA+ a adus îmbunătăţiri semnificative în realease-ul 7 al 3GPP.
Obiectivul a fost de a îmbunătăţi performanţa HSPA a reţelei în ceea ce priveşte eficienţa
spectrului de frecvenţe radio, latenţa şi exploatarea întregului potenţial al WCDMA, operând pe
5 MHz. Caracteristicile principale ale HSPA+ sunt: MIMO (Multiple Input Multiple Output),
modulare de ordin superior pentru uplink şi downlink, îmbunătăţiri ale protocoalelor nivelului 2
şi o conexiune continua de pachete.
În scopul de a asigura competitivitatea UMTS pentru următorii 10 ani şi dincolo de
aceasta, s-a ȋnceput cercetarea conceptelor pentru UMTS Long Term Evolution (LTE).
Obiectivul urmăreşte viteze mari de descarcari a datelor, latenţă mică şi pachete optimizate
pentru tehnologiile de radio-acces. Prin urmare, un element de studiu a fost lansat în release-ul 7
al 3GPP pe E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access) şi E-UTRAN (Evolved UMTS
terestre Radio Access Network). Actualmente, LTE / E-UTRA fac parte din specificatiile de
baza ale versiunii 8 a 3GPP.
Figura1: Etapele de bază a dezvoltării tehnologiei LTE
În studiul standardului LTE, 3GPP s-a concentrat asupra definirii cerinţelor, ca de
exemplu rata de transfer, capacitatea, eficientizarea spectrului şi latenţa. De asemenea, aspectele
comerciale privitoare la costurile de instalare şi de operare au fost luate în considerare. Pe baza
acestor cerinţe, au fost studiate concepte tehnice pentru sistemele de transport radio şi protocoale
utilizate de acestea. În special, LTE foloseste noi sisteme de acces multiplu: OFDMA
(ortogonale Frequency Division Multiple Access) pentru downlink şi SC-FDMA (Single Carrier
Frequency Division Multiple Acces) pentru uplink. În plus, sistemele de antene MIMO
reprezintă o componentă esenţiala ȋn LTE. Într-o încercare de a simplifica arhitectura
protocoalelor, LTE aduce unele schimbări majore la conceptele existente ȋn UMTS. Impactul
asupra arhitecturii reţelei globale, dar şi reţeaua de bază sunt investigate în contextul 3GPP
System Architecture Evolution (SAE).
Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, ETTI-TSAC 2013
Pagina 6
2. Dezvoltarea tehnologiei LTE
Dezvoltarea comunicațiilor fără fir este însoțită de evoluția necontenită a tehnologiilor.
Volumul datelor în rețelele de comunicații mobile de generația a treia (3G) deja depășesc
volumul traficului de voce. În legătură cu aceasta, însăși noțiunea de rețea de următoare generație
(4G) este strîns legată cu crearea rețelelor universale multimedia de transmitere a informației.
În comparație cu sistemele 3G antrior elaborate, LTE se concentrează pe suportul optim
pentru serviciile de rutare de pachete. Dezvoltarea tehnologiei LTE continua necontenit,
elaborându-se specificaţii pentru următoarea generație, așa numita LTE-Advanced.
2.1. Principiile tehnologiei LTE
Ȋn figura de mai jos este prezentată sumar arhitectura reţelei LTE. Este o ilustrare a parţii
ce interactioneaza cel mai bine cu UE (user equipment) sau dispozitivul mobil. Ȋntreaga
arhitectură este mult mai complexa; o diagrama completă ar arăta ȋntreaga conexiune şi celelalte
aspecte ale conectivităţii pentru transferul ȋntre 2G, 3G, WiMAX si alte standarde. Această
figură prezintă eNodeB, care este un alt nume al staţiei de baza (BS) şi interfeţele dintre acestea
si UE. E-UTRAN reprezinta ȋntreaga reţea, care poarta "oficial" numele LTE.
• eNB: Enhanced Node B, or base station
• UE: User Equipment
• EPC: Evolved Packet Core
• MME: Mobility Management Entity
(Control Plane)
• SAE: System Architecture Evolved
(User Plane)
• E-UTRAN: Evolved Universal Terrestrial
Radio Access Network
Figura 2: Arhitectura LTE
LTE se bazează pe 3 tehnologii principale: OFDM (Orthogonal Frequency-Division
Multiplexing), sistemele multi-antena MIMO (Multiple Input Multiple Output) și evoluţia
sistemului arhitectural (System Architecture Evolution).
Principial este faptul că divizarea duplex a canalelor poate fi atît de frecvență (FDD), cît
și de timp (TDD). Aceasta dă o posibilitate operatorilor de a utiliza flexibil resursele de
frecvență. Această soluție permite ieșirea pe piață a companiilor care au frecvențe mixte. Pe de
altă parte, suportul FDD este foarte convenabil pentru operatorii tradiționali de telefonie mobilă,
pentru că frecvențele mixte sunt prezente implicit – astfel sunt organizate aproape toate sistemele
de comunicații mobile existente. Însăși sistemul FDD este mai eficient ca TDD, ceea ce ține de
utilizarea resurselor de frecvențe.
Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, ETTI-TSAC 2013
Pagina 7
2.1.1. Transmisia Downlink
Sistemul de transmisie downlink pentru E-UTRA, modurile FDD şi TDD sunt bazate pe
OFDM. Într-un sistem OFDM, spectrul de frecvenţe disponibile este împărţit în mai multe
purtătoare, numite sub-purtătoare, care sunt ortogonale reciproc. Fiecare dintre aceşti sub-
purtătoare sunt independent modulate, cuprinzând un flux de date cu rata scazută.
OFDM este utilizat în WLAN, WiMAX, precum şi ȋn tehnologiile DVB. OFDM are mai
multe avantaje, printre care robusteţea şi arhitectura eficientă a receptorului.
Ȋn figura de mai jos se reprezintă un semnal OFDM (se consideră un semnal cu laţime de
banda de 5 MHz, dar principiul este acelaşi pentru alte lăţimi de bandă ȋn E-UTRA). Datele sunt
simboluri independent modulate şi transmise într-un număr mare de sub-purtătoare ortogonale
strans grupate. În E-UTRA, schemele de modulare a sensului downlink sunt: QPSK, 16QAM,
64QAM.
În domeniul timp, un interval poate fi adăugat la fiecare simbol pentru combaterea
interferenţei simbolurilor OFDM din cauza ȋntârzierilor ce pot apărea pe canalul de transmisie. În
E-UTRA, intervalul este un prefix ciclic care se introduce înainte de fiecare simbol OFDM.
Figura 3: Reprezentarea ȋn frecvenţă-timp a unui semnal OFDM
În practică, semnalul OFDM poate fi generat prin procesarea semnalului digital utilizând
IFFT (Transformata Fourier Rapida Inversă). O astfel de tranformată Fourier ȋn N puncte este
ilustrata în figura 4, unde a(mN + n) se referă la al n-lea sub-cadru modulat cu simboluri de date,
în perioada mTu< t <(m +1) Tu.
Figura 4: Generarea unui simbol OFDM utilizand IFFT
Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, ETTI-TSAC 2013
Pagina 8
Vectorul “Sm” este definit ca un simbol OFDM util, reprezentând sub-purtătoarele
modulate ȋn domeniu timp. Prin urmare, dintr-un flux paralel de N surse de date, fiecare
independent modulată, se obţine o forme de undă compusa din N sub-purtătoare ortogonale, cu
fiecare dintre sub-purtătoare având forma unei funcţii sinc (a se vedea figura 3).
Figura 5 ilustrează cartografierea unui flux serie de simboluri QAM la N fluxuri paralele,
utilizate ca recipiente de domeniu de frecvenţă pentru IFFT. Blocurile de timp ȋn N puncte
obţinute din IFFT sunt apoi ȋnlanţuite pentru a crea un semnal ȋn domeniul timp (ȋn figură nu este
prezentat procesul ciclic de inserare a prefixului).
Figura 5: Lanţul generării semnalului OFDM
În contrast cu un sistem de transmisie OFDM, OFDMA permite acces multiplu a
utilizatorilor pe laţimea de banda disponibila. Fiecarui utilizator i se atribuie o resursă
timp/frecvenţă specifică. Ca un principiu fundamental al E-UTRA, canale de date sunt partajate,
adică pentru fiecare transmisie la un interval de timp de 1 ms, o nouă decizie de planificare este
luată cu privire la utilizatori cărora li se atribuite o anumita resursa de timp/frecvenţă intervalul
de transmisie.
Schimbul de date între stația de bază (BS) și stația mobilă (MS) se construiește după
principiul repetării ciclice a cadrelor, (în terminologia LTE - radiocadru). Durata unui radiocadru
este de 10 msec. Toți parametrii temporali în specificarea LTE sunt legaţi de cuantumul minim
temporal. Astfel, durata unui radiocadru este de 307200 Ts. Însăși cuantumul de timp corespunde
frecvenței de tact de 30,72 MHz, ceea ce reprezintă un multimplu al frecvenței standard în
sistemele 3G.
Standardul LTE prevede două tipuri de radiocadre. Primul tip este destinat pentru
duplexarea de frecvență – atît full-duplex, cît și half-duplex. Acest cadru constă din 20 sloturi (cu
durata de 0,5 msec), ce sunt numarotate de la 0 la 19. Două sloturi adiacente formează un
subcadru. În regimul full-duplex radiocadrele sunt transmise paralel în canalele de transmisie și
recepție, însă cu o întîrziere de timp prevăzută de standard.
Figura 6: Structura generica a cadrului de downlink E-UTRA
Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, ETTI-TSAC 2013
Pagina 9
Radiocadrul ȋn TDD este destinat doar pentru duplexarea temporară. El constă din două
semicadre de 5 msec. Fiecare semicadru include în sine 5 semicadre cu durata de 1 msec.
Standardul prevede 2 cicluri de duplexare – 5 şi 10 msec. În primul caz primul și al 6-lea
subcadru sunt identice și conțin cîmpuri de serviciu DwPTS, UpPTS și intervalul de securitate
GP. La un ciclu de 10 msec TDD, al 6-lea subcadru se utilizează pentru transmiterea datelor în
canalul descendent. Subcadrele 0 și 5, precum și cîmpul DwPTS, întotdeauna se referă la canalul
descendent, iar subcadru 2 și cîmpul UpPTS – la cel ascendent. Repartizarea altor canale se
reflectă în tabelul de mai jos. Sunt posibile câteva variații de durată a cîmpurilor DwPTS, UpPTS
și GP, însă suma lor va fi întotdeauna egală cu 1 msec.
Configurarea Ciclu TDD, msec Numărul subcadului
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 5 D S U U U D S U U U
1 5 D S U U D D S U U D
2 5 D S U D D D S U D D
3 10 D S U U U D D D D D
4 10 D S U U D D D D D D
5 10 D S U D D D D D D D
6 5 D S U U U D S U U D
D – canalul descendent, U – canalul ascendent, S – subcadru cu cîmpuri special
Tabel 1: Distribuirea subcadrelor în radiocadru de tipul 2
Figura 7: Structura cadrului LTE la divizarea în timp a canalelor duplex
Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, ETTI-TSAC 2013
Pagina 10
Fiecărui terminal de abonat, în fiecare slot, i se atribuie un diapazon anumit de resurse în
zona de frecvență/timp.
Figura 9: Matricea de resurse pentru downlink
Datele sunt alocate terminalelor în blocuri de resurse. Un bloc de resurse fizic este
format din 12 (24) sub-purtatoare consecutive în domeniu frecvenţa pentru cazul ∆f = 15 kHz (∆f
= 7.5 kHz). În domeniul timp, un bloc de resurse fizic constă in NsymbDL simboluri OFDM
consecutive. NsymbDL este egal cu numărul de simboluri OFDM într-un slot. Mărimea blocului
de resurse este aceeaşi pentru toate lărgimile de bandă, prin urmare, numărul de blocuri fizice
disponibile depinde de laţimea de banda.
În funcţie de rata de transfer necesară, fiecare terminal poate fi atribuit unuia sau mai
multor blocuri de resurse în fiecare interval de timp de transmisie de 1 ms. Deciziile privitoare la
planificarea resurselor sunt intocmite de staţie de bază (eNodeB).
Datele utilizatorului sunt transmise pe canalul fizic comun de downlink (DL-SCH).
Semnalizarea pe canalul fizic comun de control (PDCCH) este folosita pentru a transmite
deciziile de planificare individuale ale terminalelor. PDCCH este situat în primul simbol OFDM
dintr-un slot.
Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, ETTI-TSAC 2013
Pagina 11
Figura 10: Canalele de transmisie LTE
Spre deosebire de rețelele de pachete, în LTE nu există preambulul fizic, care este
necesar pentru sincronizarea și evaluarea deplasării purtatoarei (carrier). În locul acestuia, în
fiecare bloc de resurse se adaugă semnalele de referință și de sincronizare specifice. Semnalele
de referință pot fi de 3 tipuri – semnal de referință ce caracterizează celula (cell-specific),
semnalul asociat cu terminalul de abonat specific și semnalul pentru serviciul specific de bandă
largă a accesului multimedia MBSFN. Semnalul de referință servește pentru determinarea directă
a condițiilor în canalul de transmisie. Pe baza acestor măsurători este posibilă determinarea
reacției canalului pentru subpurtătoarele rămase și restabilirea formei originale cu ajutorul
interpolării. Semnalul de referință cell-specific trebuie să fie prezent în fiecare subcadru a
canalului descendent (în afară de cazurile MBSFN). Forma semnalului se determină în baza
pseudosecvenței Gold, la inițierea căreia se utilizează numărul identificator al celulei BS (Cell
ID). Astfel de semnal de referință este distribuit uniform pe elementele de resurse.
Figura 11: Locația semnalului de rezistență (cell-specific) în canalul descendent al rețelei de
resurse LTE pentru o antenă
Secvenţa de semnale de referinţă poarta identitatea celulei. Fiecare secvenţă de semnale
de referinţă este generată ca un produs simbol-simbol al unei secvente ortogonale rOS (3 dintre
cele existente) şi o secventa pseudo-aleatoare rPRS (170 dintre cele existente). Fiecare identitate
Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, ETTI-TSAC 2013
Pagina 12
a celulei corespunde unei combinaţii unice dintre o secvenţă ortogonală rOS şi o secventa
pseudoaleatoare rPRS, permiţând 510 identitati de celule diferite.
În afară de semnalele de referință, în canalul downlink se difuzează și semnalele de
sincronizare. Semnalele de sincronizare, la fel, definesc Cell ID. În LTE este adoptată structura
ierarhică de identificare a celulei, similar tehnologiei precedente W-CDMA. Se presupune că la
nivelul fizic sunt disponibile 510 Cell ID. Ele sunt împărțite în 168 grupe, cîte 3 identificatori în
fiecare. Numărul grupei (0-167) și numărul identificatorului lui (0-2) determină ID-ul celulei. Se
utilizează două sincrosemnale – primar și secundar. Sincrosemnalul primar prezintă o secvență
de 62 elemente în planul de frecvență, definit prin succesiunea Zadoff-Chu în baza
identificatorului. Cele 62 subpurtătoare, distribuite simetric prin rețeaua de resurse față de
frecvența centrală, se transmite în radiocadrul de tipul 1 în ultimul simbol OFDM (subcadrele 0
și 5). În radiocadrul TDD, pentru transmiterea sincrosemnalului primar, se utilizează al treilea
OFDM-simbol a subpurtatoarelor 0 și 6. Sincrosemnalul secundar se generează în baza
numărului grupei. El se transmite în sloturile 0 și 10 a radiocadrului FDD (al cincilea OFDM-
simbol atunci cînd CP este standard) și în sloturile 1 și 11 a radiocadrului TDD (al șaselea
OFDM-simbol cînd CP este standard).
Figura 12: Schema formării semnalului în canalul descendent
Formarea semnalului în canalul descendent include procedurile de codare a canalului,
scremblare, formarea simbolurilor modulare, difuzarea lor prin porturile antenelor și elementelor
Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, ETTI-TSAC 2013
Pagina 13
de resurse și sinteza simbolurilor OFDM. Codificarea canalelor presupune scăderea sumelor de
control (CRC-24) pentru blocurile de date, ce vin de pe nivelul MAC. După aceea blocurile cu
sumele de control sunt prelucrate de coder cu viteza codării 1/3. În LTE se prevede utilizarea
codului convoluțional sau a turbocodului. Secvența codată după intercalare (interleaving) vine în
scrembler. După aceasta se formează simbolurile modulare complexe (QPSK, 16-QAM și 64-
QAM) și se distribuie pe elementele de resurse. Apoi se produce sinteza simbolurilor OFDM,
secvența lor intră în modulatorul, care formează semnalul de ieșire într-o gamă specifică de
frecvențe.
2.1.2 Transmisia Uplink
Pentru uplink, puterea admisibilă de emisie este cu mult mai mică, decît pentru
downlink.. De aceea eficacitatea energetică a metodei transmisiunii informației devine primară,
cu scopul măririi zonei de acoperire, micșorării costului echipamentului terminal și a puterii
consumate. Ȋn timpul fazei de studiu a elemetntelor LTE au fost cercetate schemele optime
pentru transmiterea ȋn uplink. În timp ce OFDMA este considerată optimă pentru a îndeplini
cerinţele LTE în downlink, proprietăţile OFDMA sunt mai puţin favorabile pentru uplink. Acest
lucru se datorează în principal raportului de putere slab (PAPR – peak-to-average power ratio) a
unui semnal OFDMA, ȋnrăutătind acoperirea ȋn uplink.
Astfel, sistemul de transmisie uplink LTE pentru FDD şi TDD este bazat pe SC-FDMA
(Single Carrier Frequency Division Multiple Access). Semnalele SC-FDMA au proprietăţi PAPR
mai bune în comparaţie cu un semnal OFDMA. Acesta a fost unul din principalele motive pentru
selectarea SC-FDMA ca sistem uplink de acces ȋn LTE. Caracteristicile PAPR sunt importante
pentru proiectarea eficientă a amplificatoarelor de putere pentru UE.
Diferența fundamentală este că, dacă în OFDMA odată cu fiecare subpurtătoare se
transmite simultan simbolul modular, atunci în SC-FDMA subpurtătoarele se modulează
simultan și identic, iar simbolurile modulare sunt mai scurte. Adică în OFDMA simbolurile se
transmit paralel, iar în SC-FDMA consecvent. Așa soluție asigură un raport mai mic între nivelul
maximal și mediu de putere în comparație cu utilizarea modulației simple OFDM, în rezultatul
căreia sporește eficiența energetică a terminalelor de abonat și se simplifică construcția lor.
Figura 13: Diferențele între OFDMA și SC-FDMA la transmiterea secvenței QPSK-simbolurilor
Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, ETTI-TSAC 2013
Pagina 14
Cu toate acestea, rețeaua de resurse este similară canalului downlink. Fiecare bloc de
resurse, ce corespunde slotului, ocupă 12 subpurtătoare cu intervalul în zona de frecvență (180
kHz) și 0,5 msec în zona temporală. Blocului de resurse îi corespund 7 SC-FDMA simboluri la
un prefix ciclic standard și 5 – la prefix lărgit. Durata simbolului SC-FDMA (fără prefix) este
egală cu durata simbolului OFDMA și constituie 66,7 μsec. În rețea pot fi de la 6 la 110 blocuri
de resurse, dar numărul lor trebuie să fie multiplu la 2, 3 sau 5, ceea ce e legat de procedura
transformării discrete Fourier. Prelucrarea DFT este, prin urmare, diferenţa fundamentală dintre
generarea semnalelor SC-FDMA şi OFDMA. Acest lucru este indicat prin termenul DFT spread-
OFDM.
Figura 13: Diagrama bloc a DFT-s-OFDM (transmisie localizata)
Pentru DFT-s-OFDM, o M-DFT este aplicată prima dată unui bloc de M simboluri
modulare. QPSK, 16QAM şi 64 QAM sunt folosite ca scheme de modulare ȋn uplink E-UTRA ,
acestea din urmă fiind opţionale pentru UE. DFT transformă simbolurile de modulaţie în
domeniul de frecvenţă. Rezultatul este mapat pe sub-purtatoarea disponibila. În E-UTRA uplink
este permisa numai transmiterea localizata pe sub-purtatori consecutivi.
Fiecărui abonat al rețelei de transmisie, de la stația de bază, cu ajutorul funcției de
planificare, pe un timp anumit, îi este alocat un număr de blocuri de resurse.
Însă dacă în OFDMA un simbol modular (QPSK, 16-QAM sau 64-QAM) corespunde
simbolului OFDM pe o subpurtătoare (15kHz, 66,7μsec), atunci în SC-OFDMA situația se
schimbă. În planul de frecvențe, lărgimea simbolului modular se adeverește a fi egală cu întreaga
lățime de bandă disponibilă. Cu toate acestea, un simbol SC-FDMA conține cîteva simboluri
modulare.
Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, ETTI-TSAC 2013
Pagina 15
Figura 14: Caracteristicile formării semnalului de ieșire în cazul SC-FDMA
Însăși procedura de formare a simbolului SC-FDMA diferă de schema OFDMA. După
codarea, scremblarea canalelor și formarea simbolurilor modulare, ele se grupează în blocuri a
cîte M simboluri, sub-simboluri SC-FDMA. Evident, că atribuirea lor la subpurtătoarele cu pasul
15 kHz este imposibilă, deoarece este necesară o frecvență de N ori mai înaltă, unde N este
cantitatea subpurtătoarelor disponibile pentru transmisie. De aceea, atunci cînd grupurile a cîte M
simboluri modulare (M<N) sunt formate, ele sunt expuse transformării discrete Fourier, adică
formează semnalul analogic. Iar apoi, cu ajutorul procedurii standard transformării inverse
Fourier este sintetizat semnalul, ce corespunde modulației independente a fiecărei subpurtătoare,
și este adăugat prefixul ciclic și se generează semnalul de ieșire. În rezultatul unei astfel de
abordări, transmițătorul și receptorul semnalelor OFDMA și SC-FDMA au o structură
funcțională.
Este de notat faptul că terminalul de abonat poate utiliza atît diapazonul de frecvențe fixat
(se utilizează blocurile adiacente de resurse, adică subpurtătoarele adiacente), cît și cel distribuit.
În ultimul caz pentru fiecare slot a canalului ascendent se utilizează un bloc nou de resurse din
rețeaua de resurse disponibilă.
Parametrii de reconstrucție a frecvenței sunt daţi de către echipamentul de rețea și se
raportează atît la inițierea stației de abonat în rețea, cît și în timpul de lucru în canalul de
gestionare. În cazul metodei de distribuire, informația de la fieacare abonat este situată în tot
spectrul semnalului, de aceea metoda dată este rezistentă la întîrzierea de frecvență. Pe de altă
parte, prin modul localizat de distribuție este posibil de determinat banda, în care, pentru un
anumit abonat, se ajunge la rezistența maximală la întîrzieri a canalului.
Deoarece zonele de întîrziere a semnalului pentru toți abonații sunt diferite, atunci este
posibil de atins eficiența maximă a utilizării radiocanalului. Însă aceasta necesită scanare
continuă a caracteristicii de frecvență a canalului pentru fiecare dispozitiv și organizarea
funcțiilor de management a rețelei.
Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, ETTI-TSAC 2013
Pagina 16
Figura 15: Metodele localizării subpurtătoarelor în SC-FDMA
În afara informației generate de funcțiile a nivelelor de sus, în canalul ascendent se
transmit semnalele de referință. Scopul lor este de a ajuta receptorul BS să se configureze pe un
anumit transmițăto. În afară de aceasta, semnalele permit evaluarea calității canalului, care se
utilizează în BS la managementul resurselor. Semnalele de referință în canalul ascendent pot fi
de 2 tipuri – așa-numitele „demodulatoare” și „sounding”. Semnalele demodulatoare de referință
sunt similare semnalelor de referință a canalului descendent. Ele se transmit permanent. Astfel,
în canalul informațional comun, secvența semnalului demodulat de referință se transmite în al
patrulea simbol SC-FDMA al fiecărui slot la unui CP standard. Semnalele de sunet („sounding”)
sunt aperiodice. Principala lor funcțieeste de a da BS-ului posibilitatea de evaluare a calității
canalului, dacă transmisia încă nu se efectuează.
În uplink, datele sunt alocate în multiplii de un bloc de resurse. Marimea blocului de
resurse în domeniul frecvenţă este de 12 sub-purtatori, adică aceeaşi ca şi în downlink. Cu toate
acestea pentru a simplifica proiectarea DTF in procesarea semnalelor ȋn uplink nu toţi multiplii
întregi sunt permişi, numai factorii 2,3 şi 5 fiind permişi. Intervalul de timp pentru transmisia in
uplink este de 1 ms (la fel ca in downlink). Datele utilizatorilor sunt transmise pe canalul fizic
comun pentru uplink (PUSCH - Physical Uplink Shared Channel) care este determinată de banda
de transmisie NTX si saltul de frecvenţă K0. Canalul PUCCH poarta informatiile de control in
uplink, precum rapoartele CQI şi informaţiile ACK /NACK referitoare la pachetele de date
primite ȋn downlink; PUCCH este transmis pe o frecventa rezervata în uplink.
3. Conceptele LTE MIMO
Sistemul MIMO (Multiple Input Multiple Output) reprezintă o parte esenţială a
tehnologiei LTE pentru a realiza cerinţele ambiţioase pentru transferul şi eficienţa spectrală.
MIMO se referă la utilizarea de antene multiple laterale pentru emiţător şi receptor.
Pentru legătura downlink LTE, o configuraţie 2x2 MIMO presupune o configuraţie de
bază, adică 2 antene transmit de la staţia de bază şi 2 antene recepţionează la partea terminalului.
Configuraţiile cu 4 antene sunt de asemenea utilizate.
Diferite moduri MIMO sunt avute în vedere. Aceastea trebuie să fie diferenţiate între
multiplexare spaţială şi diversitatea transmiterii, depinzând de condiţiile canalului ce decide ce
schema va fi selectata.
Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, ETTI-TSAC 2013
Pagina 17
Multiplexarea spaţială permite transmiterea a diferite fluxuri de date simultan pe acelaşi
bloc de resurse downlink . Aceste fluxuri de date pot aparţine unui singur utilizator (SU-MIMO)
sau unor diferiţi utilizatori (multi utilizatori MIMO / M-MIMO). În timp ce SU-MIMO creşte
rată de transfer pentru un singur utilizator, MU-MIMO permite sporirea capacităţii totale.
Multiplexarea spaţială este posibilă numai în cazul în care condiţiile radio o permit. Figura
următoare prezintă principiul de multiplexare spaţială, exploatând dimensiunile canalului radio,
care permite transmiterea a diferite fluxuri de date simultan.
Figura 16: Multiplexare Spaţială
În figura de mai sus, fiecare antena transmite un flux de date diferit. Fiecare antenă poate
primi fluxuri de date de la toate antenele de transmite. Astfel, canalul (cu o întârziere specifică)
poate fi descris de următoarea matrice H:
În această descriere generală, Nt este numărul de antene care transmit, Nr este număr de
antene care primesc, rezultând o matrice 2x2 pentru scenariu de baza LTE. Coeficienţii hij ai
acestei matrici se numesc coeficienţi de canal de la antena de transmisie j la antena de receptie i,
descriind astfel toate caile posibile între emiţător şi receptor.
Numărul de fluxuri de date care pot fi transmise în paralel peste canalul MIMO este dat
de min{Nt, Nr} şi este limitat de gradul matricii H. Calitatea transmisiei se degradează în mod
semnificativ în cazul în care valorile singulare ale matricei H nu sunt suficient de puternice.
Aceasta se poate întâmpla în cazul în care antenele 2 nu sunt suficient de-corelate, de exemplu,
într-un mediu cu împrăştiere puţina sau când antenele sunt prea apropiate.
În LTE, până la 2 cuvinte de cod pot fi mapate pe diferite asa-numite straturi. Numărul de
straturi de transmitere este egal cu rangul de matrice H. Există o cartografiere fixă ȋntre cuvintele
de cod şi straturi.
Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, ETTI-TSAC 2013
Pagina 18
Precodarea ȋn partea emiţătorului este utilizată pentru a sprijini multiplexarea spaţială,
lucru ce se poate vedea ȋn figura următoare. Aceasta se realizează prin aplicarea unei matrice de
precodare W semnalului, inainte de transmitere.
Figura 17: Principiul Precodarii
Matricea de precodare optimă W este selectata dintr-un "codebook" predefinit care este
cunoscut de eNodeB şi de UE. Este utilizata precodarea unitara, adică o matricea de precodate
unitara WHW = I. Terminalul estimeaza canalul radio şi selectează matricea de precodate
optima. Matricea de precodare optima este cea care confera capacitatea maximă. Terminalul
oferă feedback-ul pe canalul de control în ceea ce priveşte legatura uplink selectând astfel
matricea de precodare optima (vector de precodare ca un caz special). Ideal, această informaţie
este pusa la dispoziţie pe categorii de resurse sau, cel puţin un grup de blocuri de resurse,
deoarece matricea de precodarea optima variază între blocurile de resurse.
Figura 18 oferă o imagine de ansamblu a semnalului legaturii descendente E-UTRA,
inclusiv paşii relevanti pentru o transmisie MIMO.
Figura 18: Generarea unui semnal de baza pentru legatura descendentă
În loc de creşterea ratei de transfer sau de capacitate, MIMO poate fi folosit pentru a
exploata diversitatea. Diverse scheme de transmitere sunt deja cunoscute de la WCDMA
versiunea 99 şi vor fi implementate in LTE ca modul MIMO. În cazul în care condiţiile canal de
transmisie nu permit multiplexare spaţială, o alta schema de transmitere va fi folosita în loc,
astfel încât comutarea între aceste două moduri MIMO să fie posibila, în funcţie de condiţiile
canalului de transmisie.
Schemele legaturii ascendente (uplink) pentru MIMO in LTE vor diferi de sistemele
legaturii descendente (downlink) MIMO, aici ţinandu-se cont de complexitatea problemelor ce
Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, ETTI-TSAC 2013
Pagina 19
pot aparea ȋn terminale. Pentru uplink, UM-MIMO potate fi utilizată. Mai multe terminale
utilizator pot transmite simultan pe aceeaşi resursă bloc. Aceasta se numeste tot acces multiplu
cu divizare a spatiului (space division multiple access-SDMA). Schema are nevoie doar de o
antena de transmisie la partea UE, ceea ce este un mare avantaj.
Pentru a exploata acestă tehnologie cu ajutorul a două sau mai multe antene de
transmisie, dar încă să se păstreaze un terminal low-cost, se pot folosi antene-subset de selectie.
La început, aceasta tehnica a fost utilizata, terminalul având două antene de transmisie, dar
numai un lanţ de transmisie şi un amplificator RF, un comutator alegând apoi ce antenă oferă cel
mai bun canal către eNodeB.
4. Conceptele MBMS LTE
Suportul pentru Serviciile Multicast de Broadcast Multimedia (MBMS) este o cerinţă
esenţială pentru LTE. Aşa-numitele E-MBMS vor fi prin urmare o parte integrantă a LTE.
În LTE, transmisiile MBMS pot fi efectuate către celule singular sau către mai multe
celule. În cazul transmisiilor multi-celulare, celulele si conţinutul sunt sincronizate pentru a
permite terminalului combinarea consumului de energie de la transmisiile multiple.
Semnalul suprapus arată ca unul multipath in punctul terminalului. Acest concept este de
asemenea cunoscut ca Retea cu o Singură Frecvenţă (SFN). E-UTRAN poate configura care
celule sunt parte dintr-o SFN pentru transmiterea unui serviciu MBMS. Traficul MBMS poate
partaja acelaşi operator de transport cu trafic unicast sau să fie trimis la un operator de transport
separat. Pentru traficul MBMS, un prefix ciclic extins va fi furnizat. În cazul subcadrelor ce
transportă date MBMS SFN, vor fi folosite semnale de referinţă specifice. Datele MBMS se
desfăşoară pe canalul de trafic MBMS (MTCH) ca un canal logic.
5. Concluzie
LTE este o tehnologie de radio acces optimizată cu o latență mică (timpul de întîrziere) și
o bandă largă. Avantajele acestei tehnologii sunt indiscutabile – viteză de 5 ori mai mare decît
ADSL, downlad pînă la 100 Mbps și upload pînă la 50 Mbps, mobilitate sporită, tehnologie
simplificată, calitatea înaltă a serviciilor prestate (atît a transferului de voce, cît și a transferului
de date)
Fără a aștepa finisarea lucrărilor asupra standardului 3GPP Release 8, cei mai importanți
producători de echipamente de telecomunicații și-au prezentat multiplele dispozitive , care
suportă LTE. În 2007 compania Ericcsson a demonstrat funcționarea echipamentelor LTE cu
viteza de transmisiune 144 Mbps. În septembrie 2007 compania NTT Docomo a prezentat
echipamentele LTE cu viteza de transmisiune 200 Mbps, avînd consumul de enregie mai puțin
de 100 mW. În aprilie 2008 corporațiile LG și Nortel au demonstrat transmisiunea datelor prin
tehnologia LTE cu capacitatea 50 Mbps la viteza abonaților mobili de 110 km/h. Pe 18
septembrie 2008, operatorii mobili T-Mobile și Nortel Networks au anunțat despre realizarea
vitezei de transmisie 170 Mbps pentru canalul descendent și 50 Mbps pentru cel ascendent.
Testul a fost efectuat în automobil ce mergea cu viteza 67 km/h într-o rază de acțiune a trei stații
de bază.
Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, ETTI-TSAC 2013
Pagina 20
Dezvoltarea ulterioară a tehnologiei LTE continuă în limitele impuse de noul standard
3GPP Release 10 (LTE Advanced). Astăzi deja sunt formulate cerințele, care vor satisface LTE
Advanced:
- viteza maximală de transmisie a datelor în radiocanalul descendent până la
1Gbps, iar în cel ascendent – până la 500 Mbps;
- banda de transfer în radiocanalul descendent – 70 MHz, iar în cel ascendent – 40
MHz;
- eficientizarea maximă a utilizării spectrului în radiocanalul descendent –
30bps/Hz, iar în cel ascendent – 15 bps/Hz;
- compatibilitate absolută și interacțiunea cu LTE și alte sisteme 3GPP
Pentru rezolvarea acestor probleme se presupune utilizarea radiocanalelor mai largi (pînă
la 100 MHz), divizarea asimetrică a benzilor de trecere între canalele ascendent și descendent în
cazul duplexării de frecvență, sisteme mai moderne de codare și de corecție a erorilor, tehnologia
hibridă OFDMA și SC-FDMA pentru canalul ascendent și soluții avansate în domeniul
sistemelor de atene (MIMO).
Tehnologia dată se află astăzi într-o etapă de dezvoltare continuă, întotdeauna intervenind
schimbările, chiar și în standarde.
top related