planificatoare pentru reţelele lte; lte scheduler

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


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


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.


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).


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.


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


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


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


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.


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


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


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


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.


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.


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.


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.


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


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.


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.

planificatoare pentru reţelele lte; lte scheduler

Documents