Стандарт LTE

Новый стандарт сотовой связи Evolved UTRA (E-UTRA) представляет собой эволюцию стандарта 3-го поколения UMTS в направлении повышения скоростей передачи, уменьшения задержек и оптимизации пакетной передачи данных. Стандарт E-UTRA разрабатываемый как технология LTE (Long-Term Evolution), описан в спецификациях 3GPP, начиная с Rel.8. По своим характеристикам LTE является гибридом двух достаточно разных стандартов: сотовой связи UMTS и беспроводного доступа WiMAX. Из WiMAX как основа физического уровня взята технология ОЧР (ортогонального частотного разнесения или OFDM). Поэтому E-UTRA относится к стандартам с частотно-временным разделением каналов, где возможны реализации как с частотным, так и с временным дуплексом. Из UMTS использованы прежде всего протоколы уровня L2: Mobility Management, Session management, в меньшей степени RRC (Radio Resource Control). Структура сети E-UTRA является конечной точкой эволюции структуры сети UMTS при работе с коммутацией пакетов, производимой в рамках модернизации стандарта UMTS в Rel.7 и Rel.8.

В LTE реализованы задачи эволюции системной архитектуры SAE (System Architecture Evolution) при передаче пакетного трафика. Архитектура E-UTRAN представлена на рис.5.1. Она включает в себя ядро пакетной сети EPC (Evolved Packet Core), модернизированные eNB и интерфейсы S1 и X2.

Рис.5.1. Базовая архитектура сети E-UTRAN

EPC состоит из шлюзов доступа, которые относительно обслуживаемых абонентских устройств становятся S-GW (Serving Gateway). eNB аккумулируют функции существующих Node B и контроллеров RNC, касающихся обработки пакетного трафика и выделения канального ресурса. В E-UTRAN выдержан принцип логического разделения транспортных сетей передачи данных и сигнализации. Стек протоколов плоскости управления интерфейса S1: S1-MME (Mobility Management Entity) приведен на рис.5.2.а, а стек протоколов в пользовательской плоскости (туннельный протокол на уровне L2) на рис.5.2.б.

a) б)

Рис.5.2.. Интерфейс S1

Аналогичным образом построен и интерфейс Х2.

Логическая структура сети E-UTRAN изображена на (рис.5.3), где красным обозначены новые элементы и интерфейсы.

Рис.5.3. Логическая структура сети Rel. 8

На рис.11 UPE – User Plane Entity, HSS – Home Subscriber Server, ePDG – Evolved Packet Data Gateway, PCRF - Policy and Charging Rules Function.

На физическом уровне (на радиоинтерфейсе) в технологии LTE используют OFDM при модуляции 4-ФМ, 16-КАМ и 64-КАМ. При этом максимальное число поднесущих частот в рабочей полосе может достигать 2048.

Взаимная синхронизации E-UTRA и UTRA обеспечивается тактированием с длительностью временной единицы T_s = 1/(15000×2048)c. Передача по радиоканалу идет кадрами длиной 10 мс, что составляет 307200 Ts. Различают 2 структуры кадров: кадры типа 1 при работе с частотным дуплексом (FDD) и кадры типа 2 при работе с временным дуплексом (TDD). Структура кадра типа 1 показана на рис.5.4. Кадр состоит из 20 временных слотов длиной 15360×Ts = 0,5мс, пронумерованных от 0 до 19. Два последовательных слота составляют 1 субкадр – всего 10 субкадров, от 0 до 9 (рис.5.5).

Рис.5.4. Структура кадра при частотном дуплексе

Рис.5.5. Конфигурация кадра при частотном дуплексе

Структура кадра при временном дуплексе приведена на рис. 5.6.

Рис.5.6. Структура кадра при временном дуплексе

Кадр длиной 10 мс также состоит из 10 субкадров длиной 1 мс. Однако в отличие от рис.5.5 в некоторых субкадрах идет передача вниз (D), в других вверх (U); кроме того есть специальные субкадры (S),состоящие из трех полей: UpPTS – поля передачи вверх, DwPTS – поля передачи вниз, и защитного интервала (GP). Возможны 7 конфигураций кадров при временном дуплексе (табл.5.1).

Таблица 5.1

Из табл.5.1 следует, что в субкадрах 0 и 5 всегда идет передача вверх, в субкадре 2 передача вниз, а субкадр 1 является специальным: в нем происходит переключение от передачи вниз к передаче вверх.

Перейдем к частотно-временным характеристикам физического уровня стандарта E-UTRA. При расстоянии между поднесущими ∆F = 15 кГц длина ОЧР-символа составляет 1/∆F ≈ 66,7 мкс. В каждой половине субкадра (слоте длиной 0,5мс) передают 6 или 7 ОЧР символов в зависимости от длительности циклического префикса ЦП (активной паузы между символами). Длительность циклического префикса T_CP составляет 160Тs ≈5,2 мкс перед первым символом и 144Тs ≈4,7мкс перед остальными символами. Возможен вариант использования расширенного ЦП длительностью 512 Тs ≈16,7мкс. В этом случае в одном субкадре размещают 6 OFDM символов (рис.5.7). В зависимости от используемого варианта ЦП возможны 9 конфигураций специального субкадра S при временном дуплексе.

Как было сказано, в частотной области расстояние между поднесущими выбрано равным ∆F = 15 кГц (опционально, 7,5 кГц). Выбор ∆F = 15 кГц обусловлен обеспечением взаимной синхронизации между UMTS и E-UTRA. Так при числе поднесущих N = 256 тактовая частота B= N/T_u = N × ∆F = 3,84 МГц, что совпадаетс чиповой скоростью в стандарте UMTS. Взаимная синхронизация обеспечивается и с WiMAX. Напомним, что в WiMAX стандарта 802.16е расстояние между поднесущими составляет 10,94 кГц, что составляет 1/351 от частоты 3,84 МГц.

Рис.5.7. Структура слота на физическом уровне

Весь канальный ресурс разделяют на ресурсные блоки (РБ). Ресурсный блок состоит из 12 расположенных рядом поднесущих, занимающих полосу 180 кГц и одного временного слота (7 или 6 OFDM-символов на интервале 0,5 мс). При передаче вниз, от eNodeB к UE, в каждом блоке из 12×7 = 84 элементов часть элементов используют для передачи опорных (reference) символов (рис.5.8). Выделяемый абоненту канальный ресурс определяют числом ресурсных блоков.

Теоретически максимальная сквозная скорость кодированного сигнала при передаче вниз (при модуляции 64-КАМ) при числе поднесущих 2048 достигает 6× 2048×14 = 172 Мбит/с. Применение технологии MIMO может увеличить ее еще более.

Рис.5.8. Структура ресурсного блока при передаче вниз

При передаче вверх используют метод передачи, получивший название Wider-band "single carrier" transmission. Цель данного метода состоит в том, чтобы уменьшить пик-фактор передаваемого сигнала, что является одним из недостатков OFDM. С этой целью до использования OFDM осуществляют прямое быстрое (дискретное) преобразование Фурье передаваемого сигнала (БПФ), после которого переходят к OFDM (рис. 5.9). Такая технология получила название БПФ-OFDM или SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division Multiple Access). При приеме осуществляют обратные преобразования (рис. 5.10).

Рис.5.9. Генерация сигнала БПФ-OFDM

Рис.5.10. Прием сигнала DFTS-OFDM

При выделении канального ресурса вверх используют те же понятия ресурсного блока (12 поднесущих полосой 180 кГц) и подкадров длительностью 1 мс с 7 или 6 OFDM символами в каждом слоте. В результате выделяемый канальный ресурс разным абонентам может быть проиллюстрирован рис.5.11.

Рис.5.11. Распределение канального ресурса вверх

В E-UTRA специфицированы 6 полос частот для развертываемых сетей (табл.5.2). В ней также приведено максимальное число ресурсных блоков в 1 временном интервале при передаче вниз и приблизительная полоса частот, вырезаемая приемником UE для обработки принятого сигнала (measurement bandwidth).

Таблица 5.2

Поиск по сайту: