Технология беспроводного доступа LTE

метки: Технология, Канал, Сигнал, Спектр, Мобильный, Услуга, Базовый, Пакет

Ускоренное развитие технологий связи, как фиксированной, так и мобильной, вызвано, повышенным интересом людей к сети интернет. Огромная роль глобальной сети в современном мире обмена информации неоспорима и не нуждается в подтверждении. Пользуясь сетью интернет, люди получают возможность учиться, работать, общаться, обмениваться данными, оплачивать услуги и покупки, а также пользоваться в режиме онлайн всевозможными услугами коммерческих компаний и государственных учреждений.

Обширность территории нашей страны создает определенные трудности для предоставления операторами связи доступа к сети интернет. В крупных городах к глобальной сети может подключиться любой желающий, исходя из своих потребностей, выбрав удовлетворяющий его тариф, причем у жителя есть выбор между беспроводным и проводным доступом. Но в малых городах России и прилежащих к ним районах дело обстоит намного хуже. Операторы связи не стремятся телефонизировать такие города на всей площади проживания жителей и обеспечивать услуги доступа в Интернет, а та связь, что предоставляется, зачастую вызывает нарекания.

Существует несколько способов решения этой проблемы. Можно использовать для доступа в сеть Интернет спутниковую связь, организовать доступ с помощью проводных линий связи или с помощью мобильной связи. Спутниковый доступ не удобен низкой скоростью и высокой ценой. Использование проводных линий предусматривает обязательное наличие цифровых АТС. Доступ с помощью мобильной связи стал возможен с приходом стандартов EDGE/GSM и UMTS/HSPA, но первый отличается слишком низкой скоростью, что делает работу в сети интернет не удобной, а возможности второго не обеспечивают охват крупных территорий. По этой причине мобильные операторы, в первую очередь, стараются охватить местность с плотной городской застройкой, а, учитывая, что дальность действия сигнала в диапазоне 1920-2100 МГц не высока,с целью охвата максимально больших территорий, необходимо строить огромное количество базовых станций, что экономически не выгодно.

Наиболее перспективным вариантом обеспечения городского округа высокоскоростным доступом в сеть Интернет является построение сетей сотовой подвижной радиосвязи четвертого поколения (4G).

Самым оправданным стандартом 4G для решения этой задачи является технология беспроводного доступа LTE.

Стандарт LTE (от англ. LongTermEvolution — эволюция в долгосрочной перспективе) — технология построения сетей беспроводной связи, созданная в рамках проекта сотрудничества в создании сетей третьего поколения 3GPP (3GPartnershipProject).

Технологии Связи и Internet

... затратами. Однако DSL - не единственная технология, развиваемая с опорой на уже существующие кабельные сети... Другой способ обеспечить быстрый доступ в Интернет без прокладки новых проводов - воспользоваться ... и будем связываться с пользователем при помощи специального высокочастотного модема (от 4 кГц до 1 МГц). Такая организация цифровой связи получила название DSL (Digital Subscriber ...

Основными приоритетами разработки технологии LTE являются: скоростные характеристики передачи данных, экономическая составляющая передачи данных, широта предоставления спектра услуг по выгодной цене, повышение гибкости сети и возможность использования на базе существующих систем мобильной связи. Главноеотличие стандарта LTE от других технологий мобильной связи заключается в полном построении сети на базе IP-технологий. Радиоинтерфейс LTE дает возможность улучшить технические характеристики, включая максимальную скорость передачи данных около 326,4 Мбит/с, время задержки пересылки пакетов менее 5 мс, а также существенно более высокую спектральную эффективность по сравнению с существующими стандартами беспроводного мобильного доступа третьего поколения (3G).

В дипломном проекте, территориальным объектом, где предполагается планировать сеть LTE, я выбрал городской округ Королев Московской области. Целью данного проекта является обеспечение всей территории городского округа устойчивым радиосигналом сети LTE и предоставление жителям высокоскоростного мобильного доступа в сеть Интернет.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕХНОЛГИИ LTE

диапазон сеть канал радиочастотный

Развитие технологии LTE

Разработка технологии LTE, как стандарта связи, официально началась в конце 2004 года в Канаде, г.Торонто.

Рис. Основные этапы развития технологии LTE

Основной целью исследований на первом этапе был выбор технологии физического уровня, которая смогла бы обеспечить высокую скорость передачи данных. В качестве основных технологий были предложены два варианта: развитие существующего радиоинтерфейса WCDMA и создание нового на основе технологии OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — ортогональное частотное мультиплексирование).

Итогом проведенных исследований, единственной подходящей технологией оказалась OFDM. Уточнение требований к новому стандарту было закончено в июле 2005 года. Требования заключаются в следующем: сокращение задержек при установлении соединения и передаче данных; увеличение скорости передачи данных; увеличение скорости на краях соты, для единообразия предоставляемых услуг; высокая спектральная эффективность; гибкость в использовании сетевого ресурса; упрощенная архитектура сети; экономное потребление энергии мобильным терминалом. В декабре 2008 года утверждена версия стандартов 3GPP (Release 8), фиксирующая архитектурные и функциональные требования к системам LTE. По сравнению с ранее разработанными системами 3G, радиоинтерфейс LTE обеспечит улучшенные технические характеристики. В частности, в LTE ширина полосы может варьироваться от 1,4 до 20 МГц, что позволяет удовлетворять потребности разных операторов связи, обладающих различными полосами пропускания. При этом оборудование LTE должно одновременно поддерживать не менее 200 активных соединений на каждые 5-МГц ячейку. Стандарт связиLTE позволяет достичь внушительных скоростей передачи данных — до 50 Мбит/с для восходящего соединения и до 100 Мбит/с для нисходящего соединения. При высокой скорости передачи LTE поддерживает соединения мобильных абонентов, передвигающихся со скоростью до 350 км/ч. Поддерживаются много антенные системы MIMO.

В середине 2009 года появились первые опытные системы на основе LTE. В конце 2009 года шведская телекоммуникационная компания TeliaSonera, совместно с Ericsson объявила о запуске первой в мире коммерческой сети в Стокгольме и Осло.

Стандартизация в области информационной безопасности в сетях передачи данных

... продукции и повышение конкурентоспособности продукции, работ или услуг. Примечательно также, что в число принципов стандартизации, провозглашенных в статье 12 упомянутого закона, входит ... "Гармонизированные критерии Европейских стран", международный стандарт "Критерии оценки безопасности информационных технологий" и, конечно, Руководящие документы Гостехкомиссии России. К этой же группе относится ...

Работы над Release 9 определяют вторую фазу развития системы LTE. Основные направления этого развития:

• совершенствование функциональных возможностей (реализация двух диапазонной и многодиапазонной передачи данных в одном физическом канале, расширение возможностей сети радиодоступа E-UTRAN, внедрение новых сценариев высокоскоростной передачи данных);
• введение новых услуг в сетевые возможности (система предупреждения о массовой опасности — PWS, развитие мультимедийных речевых услуг VoIP, широковещательных услуг — MBMS, услуг определения местоположения абонентов — LBS);
• расширение эксплуатационных возможностей (создание сервисно-ориентированной архитектуры системы поддержки эксплуатации — OAM&P, расширение возможностей контроля эксплуатационных параметров сети радиодоступа и базовой сети);
• создание новых сценариев развития (внедрение новых диапазонов, совершенствование механизмов взаимодействия с внешними сетями радиодоступа).

На сегодняшний день сети стандарта LTE развернуты в более чем в 100 странах мира и их число быстро увеличивается.

В России построение сетей стандарта LTE заторможено трудностями в распределении частотного ресурса компаниям-операторам мобильной связи. 20 декабря 2011 г. компания «Скартел» запустила первую в России сеть LTE в городе Новосибирске. Компания «МТС» запустила сеть LTE в городе Москве в 2012 г., используя сеть пассивных ВОЛС.

Основные параметры и возможности стандарта LTE

LTE (Long Term Evolution) — название мобильного протокола передачи данных. LTE это продолжение развития технологии CDMA, UMTS, основанной на использовании OFDM (к клиенту), SC-FDMA (от клиента) и MIMO. Особенностью этой технологии является возможность работать с частотным (парным, FDD) и временным (непарным, TDD) разделением каналов, что позволяет применять различные технологии оборудования, находящегося у операторов.

Применение антенных технологий MIMO позволяет базовой станции обслуживать в 10 раз больше клиентов, чем позволяла прежняя технология WCDMA.

Основные характеристики LTE:

• Работа в режимах TDD и FDD.
• Максимальная скорость приема 326 Мбит/с. с шириной канала 20 МГц
• Максимальная скорость отдачи 86.4Мбит/с. с шириной канала 20 МГц
• Ширина канала масштабируется до 20 МГц, с различным (1.4, 2.5, 5, 10, 15, и 20 МГц) шагом.
• Время отклика, до 10 мс., между оборудованием пользователя и базовой станцией и менее 100 мс.

время перехода в активное из неактивного состояния.

• Увеличенная спектрально-частотная эффективность в сравнении с release 6 HSPA
• Возможность передачи голоса по IP/IMS;
• OFDMA на линии от базовой станции с модуляцией 64QAM;
• Ширина канала до 20 МГц;

Общая структура сети LTE

Сеть LTE состоит из двух важных компонентов: сети радиодоступа E-UTRAN (Evolved UTRAN) и базовой сети SAE (System Architecture Evolution), включающей в себя усовершенствованную пакетную сеть EPC (Evolved Packet Core).

Вместе LTE и SAE составляют усовершенствованную пакетную систему EPS (Evolved Packet System).

Среда передачи данных

... сетях по стандарту IEEE 802.5. Кабель категории 5 — в настоящее время самый совершенный кабель, рассчитанный на передачу данных ... и взаиморасположения проводников, от технологии изготовления и материала диэлектрика ... стандарты описывают практически одинаковые кабельные системы, но отличаются терминологией ... то понятно, почему линии связи на основе ... 1 кГц и температуре окружающей среды 20 °C [https:// , ...

На рис. 2.2.2. изображена общая архитектура сети, включая сетевые элементы и стандартные интерфейсы.

Рис. Общая архитектура сети LTE

Рассмотрим элементы сети LTE подробнее:

MME (Mobility Management Entity)

MME является контрольным узлом, через который проходит весь сигнальный трафик между UE и Core Network (CN).

Протоколы, которые используются для передачи контрольного трафика между UE и CN, известны как NAS (Non-Access Stratum).

Функции, выполняемые MME, делятся на следующие два множества:

• Управление потоками (Bearer Management).

  К данной области относится уровень управления сессиями (session management layer) протокола NAS, в рамках которого осуществляется создание, поддержание и удаление потоков.

— Управление подключениями (Connection Management) В рамках этой функциональности осуществляется подключения абонентов к сети и создание правил шифрации и кодирования между UE и сетью. Эти действия выполняются на уровне подключений или управления мобильностью протокола NAS.

S-GW(Serving Gateway)

Все IP пакеты, которые относятся к UE передаются через S-GW, который является анкерным для потоков данных, когда UE перемещается между различными базовыми станциями (eNodeB).

Кроме этого, S-GW хранит всю информацию о потоках UE, когда UE находится в холостом режиме (idle mode).

Также S-GW временно накапливает данные, отправленные к UE, пока MME запускает процедуру пейджинга (paging) UE, чтобы создать потоки (нарадио канале) для отправки данных на UE.

Кроме перечисленных функций, S-GW осуществляет еще и некоторые административные функции в визитной сети. Например, сбор информации для осуществления списаний по счету.

P-GW (PDN Gateway)

Функции данного устройства заключаются в выделении IP адреса для UE, соблюдении параметров QoS и осуществлении списаний по счету на основе набора правил, полученных из PCRF (Policy Control and Charging Rules Function).

Также P-GW осуществляет фильтрацию поступающих IP пакетов в различные клиентские потоки с конкретным набором параметров QoS при этом используются TFT (Traffic Flow Templates).

На рисунке приводится стек протоколов, используемый в пользовательской плоскости.

Рис. Стек протоколов пользовательской плоскости

IP пакеты, адресованные UE, туннелируются (GTP-U/UDP/IP) на участке между P-GW и eNodeB (интерфейсы S1 и S5/S8) для последующей их передачи на UE. Стек протоколов на участке между UE и eNodeB состоит из: PDCP (Packet Data Convergence Protocol), RLC (Radio Link Control) и MAC (MediumAccessControl)подуровней.

На рисунке, который изображен ниже приводится стек протоколов, используемый в контрольной плоскости.

Рис. Стек протоколов контрольной плоскости

Протоколы, которые используются между UE и eNodeB носят название Access Stratum (AS) протоколы. В контрольной плоскости все протоколы ниже RRC выполняют те же самые функции, что и в пользовательской плоскости. За исключением того, что в контрольной плоскости нет сжатия заголовков.

Протокол RRC выполняет главные контролирующие функци, к которым относятся создание потоков, используемых при радио передаче, и конфигурация всех нижележащих уровней.

Разработка инфокоммуникационной сети с использованием технологий ...

... функционирования этой системы связи. 1. АНАЛИЗ СТАНДАРТА БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ беспроводной связь вычислительный сеть 1.1 РАБОЧИЕ ... ZTE заключили соглашение о совместных работах. ZTE будет разрабатывать инфраструктуру и производить абонентское оборудование стандарта ... и есть ключ HMAC. 1.2.3 УЯЗВИМОСТИ В СТАНДАРТЕ IEEE 802.16 1. Атаки физического уровня, такие как глушение передачи сигнала, ...

Взаимодействие между соседними eNodeB осуществляется через интерфейс X2.

Хэндовер через интерфейс X2

X2 это логический интерфейс между eNBs. Он похож на интерфейс IurWCDMA. SourceeNB использует интерфейс X2 для передачи сообщении о запросе хэндовера TargeteNB. После получения сообщения о запросе хэндовера TargeteNB начинает резервировать частотный ресурс, после этого она отсылает ответное сообщение SourceeNB (рис.).

Существуют различные элементы информации (некоторые необязательные) в сообщении HandoverRequest, такие как: потоки, запрашиваемые сетью SAE, должны быть переданы; список ограничений хэндовера, который может ограничить следующие попытки хэндовера для UE; информация о последней ячейке, в которой было активно UE, если эта функция была включена (чтобы избежать эффекта пинг-понга и частых переключений туда — обратно).

Рис. Подготовка хэндовера через X2 интерфейс

После отправки запроса на хэндовер eNB запускает таймер, если ответ не был получен, то процедура отменяется. Существует сообщение HandoverCancel для отмены текущую передачу обслуживания. Сообщение подтверждения запроса на хэндовер содержит информацию о возможности новой eNB принять потоки сети SAE (по крайней мере, частично).

Также сообщение содержит информацию о GTP туннеле для каждого SAE потока (для возможности доставки протокольных блоков данных вверх и вниз).

Особенности радиоинтерфейса сети LTE

Основными требованиями к сети радиодоступа E-UTRAN являются:

1. Максимальная (пиковая) скорость передачи данных (peakdatarates): 100 Мбит/с в линии «вниз» (спектральная эффективность 5 бит/с/Гц) и 50 Мбит/с в линии «вверх» (спектральная эффективность 2.5 бит/с/Гц) при полосе канала 20 МГц.

2. Емкость сети E-UTRAN: не менее 200 пользователей на соту в активном режиме при ширине спектра сигнала 5 МГц.

3. Время задержки передачи пакетов данных на уровне протоколов управления (control-planelatence):

• время перехода мобильного терминала из неработающего состояния IDLE в активное состояние CELL_DCH менее 100 мс;
• время перехода мобильного терминала из режима ожидания CELL_PCH в активное состояние CELL_DCH менее 50 мс.

4. Время задержки передачи пакетов данных пользователя (userplanelatency): менее 5 мс в активном состоянии мобильного терминала при загрузке IP-пакетов минимальных размеров (для одного пользователя с одним потоком данных).

5. Скорость передачи данных пользователя (userthroughput): в линии «вниз» в три-четыре раза выше, чем при использовании технологии HSDPA и при двух передающих антеннах базовых станций и двух приемных антеннах абонентских терминалов; в линии «вверх» в два-три раза выше, чем при использовании технологии HSUPA и при одной передающей антенне абонентских терминалов и двух приемных антеннах базовых станций.

6. Эффективность использования спектра: в линии «вниз» в три-четыре раза выше, чем при использовании технологии HSDPA в условии полной загрузки сети; в линии «вверх» в два-три раза выше, чем при использовании технологии HSUPA в условиях полной загрузки сети.

7. Мобильность абонентов в сети E-UTRAN: низкая (0…15 км/ч), высокая (15…120 км/ч), сверхвысокая (120…350 км/ч, до 500 км/ч).

8. Радиус сот: до 5 км при обеспечении максимальных пропускной способности, спектральной эффективности и мобильности; до 30 км при ухудшении этих параметров.

9. Технология мобильного вещания (Multimedia Broadcast Multicast Service — MBMS): снижение технологической сложности АТ, одновременное предоставление пользователю услуг вещания и передачи речи, доступность для технологии вещания парных и непарных спектральных полос.

10. Гибкость использования радиоспектра.

11. Совместимость сети E-UTRAN с другими сетями 3GPP

Особенности радиоинтерфейса LTE в линии «вниз» (Downlink)

Радиоинтерфейс LTE поддерживает оба метода дуплексного разделения каналов: частотный FDD и временной TDD. Особенностью радиоинтерфейса в линии «вниз» сети E-UTRAN является использование технологии множественного доступа OFDMA, обеспечивающей высокую гибкость распределения и масштабируемость радиоресурсов для каналов передачи данных с различной полосой пропускания. Интервал времени передачи (TTI) в линии «вниз» сети E-UTRAN соответствует длительности подкадра и равен 0.5 мс (как и для технологии HSDPA).

При этом обеспечивается низкое время ожидания и высокая эффективность планирования передачи пакетов данных на радиоинтерфейсе. В линии «вниз» поддерживаются следующие виды модуляции: QPSK, 16QAM и 64QAM.

В линии «вниз» предполагается использование технологии MIMO (MultipleInputMultipleOutput).

Основная конфигурация технологии MIMO предполагает использование двух передающих и двух приемных антенн базовой станции и мобильного терминала. Максимально предполагается использовать 4-е передающих антенн базовых станций и 2-4 приемных антенны абонентских терминалов. Технология MIMO обеспечивает передачи данных как многих (MU-MIMO), так и единственного пользователя (SU-MIMO).

Линия «вниз» E-UTRAN подразумевает использование следующих физических каналов:

• PDSCH (Physical downlink shared channel) — распределенный транспортный физический канал линии «вниз»;
• PDCCH (Physical downlink control channel) — физический канал управления линии «вниз»;
• CCPCH (Common control physical channels) — общийфизическийканалуправления.

Связь транспортных и физических каналов показана на рис. В настоящее время в E-UTRAN для LTE определены четыре транспортных канала:

• BCH (Broadcast Channel) — вещательный канал;
• PCH (Paging Channel) — канал вызова (пейджинга);
• DL-SCH (Downlink Shared Channel) — совмещенный канал линии «вниз»;
• MCH (Multicast Channel) — канал вещания в группе.

Рис. Связь транспортных и физических каналов в линии «вниз» сети E-UTRAN

Модуляция OFDM/QAM в линии «вниз»

Технология ортогонального мультиплексирования OFDM основана на формировании многочастотного сигнала, состоящего из множества поднесущих частот, отличающихся на величину ?f = |wn-wn-1|/2р, выбранную из условия ортогональности сигналов на соседних поднесущих частотах (wn — n-я радиальная поднесущая частота).

При формировании OFDM-сигнала поток последовательных информационных символов длительностью Tи/N разбивается на блоки, содержащие N символов. Далее блок последовательных информационных символов преобразуется в блок параллельных символов, в котором каждый информационный символ соответствует определенной поднесущей частоте многочастотного сигнала. При этом длительность символа увеличивается в N раз. Суммарная ширина спектра многочастотного сигнала соответствует ширине спектра исходного сигнала с последовательными символами. Цель такого преобразования — защита сигнала от узкополосных помех. Защита достигается благодаря тому, что параллельные символы многочастотного сигнала представляют собой кодовое слово помехоустойчивого кода, который позволяет восстановить символы в случае их ошибочного приема из-за искажений спектра. Частотно-временное представление OFDM-сигнала показано на рис. Преобразование сигнала из временной области в частотную происходит с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ).

Преимущество OFDM-сигнала заключается в уменьшении необходимого количества временных защитных интервалов. При сигнале с последовательными символами защитные интервалы добавляются между каждыми символами, а при сигнале с параллельными символами — между группами символов.

Рис. Частотно-временное представление OFDM-сигнала при ширине спектра 5 МГц.

Особенности OFDM-сигналов:

• мультиплексирование сигналов на поднесущих частотах, модулированных информационными символами по выбранному закону;
• ортогональность сигналов на поднесущих частотах (взаимная корреляционная функция равна нулю);
• каждый OFDM-символ имеет защитный временной интервал для исключения межсимвольной интерференции, который выбирается с учетом импульсной характеристики линии связи (физической среды распространения радиосигнала).

Схема формирования OFDM-сигнала показана на рис.

Рис. Схема формирования OFDM/QAM-сигнала

На практике при формировании OFDM/QAM-сигнала используется дискретное обратное преобразование Фурье (ОБПФ) на N точек. Это значительно упрощает практическую реализацию приемопередающего устройства с модуляцией OFDM/QAM. Схема формирования OFDM/QAM-сигнала в передатчике базовой станции сети E-UTRANпоказана на рис.

Рис. Схема формирования OFDM/QAM-сигнала в передатчике eNB сети E-UTRAN

При формировании OFDM/QAM-сигнала в линии «вниз» в режиме временного дуплекса используются циклические префиксы для борьбы с межсимвольной интерференцией. При этом длительность коротких префиксов равна 4.7 мкс, длительность длинных — 16.7 мкс при разнесении поднесущих частот на 15 кГц Временные отрезки (кадры длительностью 10 мс) состоят из 20 подкадров одинаковой длительности: Тпк = 0.5 мс.

Особенности радиоинтерфейса LTE в линии «вверх» (Uplink)

Особенностью радиоинтерфейсов в линии «вверх» сети E-UTRAN является использование технологии множественного доступа с одной несущей частотой (SignalCarrier-FrequencyDivisionMultipleAccess — SC-FDMA).

Исключение взаимного влияния пользователей достигается введением циклических префиксов и использованием эффективных эквалайзеров в приемных устройствах. Интервал времени передачи в линии «вверх» соответствует интервалу в линии «вниз» и равен 0.5 мс.

Технология множественного доступа SC-FDMA основана на преобразовании Фурье (рис.).

Рис. Схема передающего устройства при множественном доступе SC-FDMA в сети E-UTRAN

При формировании группового сигнала в линии «вверх» (рис.) для каждого терминала решается вопрос о том, какая часть поднесущих используется, а какая нет. Между каждым из сигналов, образующихся после быстрого преобразования Фурье, вставляется L-1 нулевых символов; L — количество нулевых символов. При последовательном распределении поднесущих L = 1 (рис., слева), т.е. между символами, образующимися после быстрого преобразования Фурье, не вставляются нулевые поднесущие (L-1 = 0).

При смешанном распределении L>1 (рис., справа).

Рис. Схема формирования поднесущих OFDM-сигнала: слева — последовательное распределение поднесущих, справа — смешанное распределение поднесущих

Для линии «вверх» определены три физических канала:

• PRACH (PhysicalRandomAccessChannel) — физический канал произвольного (случайного) доступа;
• PUCCH (PhysicalUplinkControlChannel) — физический канал управления линии «вверх»;
• PUSCH (PhysicalUplinkSharedChannel) — физический распределенный транспортный канал линии «вверх» и два транспортных канала:
• RACH (RandomAccessChannel) — канал случайного доступа;
• UL-SCH (UplinkSharedChannel) — совмещенный канал линии «вниз».

Связь транспортных и физических каналов показана на рис.

Рис. Связь транспортных и физических каналов в линии «вверх» сети E-UTRAN

Логические и транспортные каналы сети E-UTRAN

Логические каналы соответствуют типам передаваемой информации и подразделяются на две группы (рис. 2.2.13):

• каналы управления (передачи данных протоколов плоскости управления);
• каналы трафика (передачи данных протоколов плоскости пользователя).

Передача данных логических каналов осуществляется с помощью транспортных каналов. Преобразование логических каналов в транспортные и наоборот происходит согласно протоколу MAC. При преобразовании выполняется планирование передачи пакетов данных с учетом приоритетов данных, функций формирования пакетов данных транспортных каналов, мультиплексирования и др.

Классификация транспортных каналов в обеих линиях показана на рис.

Рис. Классификация логических каналов сети E-UTRAN

Рис. Классификация транспортных каналов сети E-UTRAN

Распределение логических каналов по направлениям передачи и их связь с транспортными каналами показаны на рис.

Рис. Логические каналы линии «вниз»

Рис. Логические каналы линии «вверх»

Частотно-временная структура OFDM-сигналов сети E-UTRAN в режиме TDD

Во временной области физический уровень радиоинтерфейса сети

Рис. Временная структура OFDM-сигнала сети E-UTRAN в режиме TDD

При работе сети E-UTRAN в режиме временного дуплекса TDD временные слоты полукадров распределяются между линиями «вверх» и «вниз» с учетом различных типов пользовательского трафика. Временные слоты состоят из целого числа сигнальных символов. Структура временных слотов внутри полукадра может изменяться от полукадра к полукадру, адаптируясь к различным профилям трафика и требованиям к задержкам.

В линии «вниз» полукадры содержат сигналы синхронизации и системную информацию. Значительное упрощение АТ достигается за счет аналогичности структур сигналов синхронизации и системной информации в режимах TDD и FDD. Полукадры сети имеют защитный интервал только в точке переключения из линии ««вниз в линию «вверх» (DUSP).

В точке переключения из линии «вверх» в линию «вниз» (UDSP) нет необходимости в защитном интервале благодаря синхронизации по времени задержки распространения радиосигнала.

В частотной области физический уровень сети состоит из частотно-временных блоков PRB. Блок PRB является условной единицей использования частотно-временного ресурса сети E-UTRAN. Частотно-временная структура блока включает в себя 12 поднесущих частот и имеет длительность одного временного слота, т.е. семь или шесть OFDM-символов при коротком/длинном циклическом префиксе СР (рис.).

Формирование OFDM-сигналов с заданной шириной спектра осуществляется путем стыковки нескольких блоков PRB (таблица).

Распределение блоков PRB между АТ выполняется базовыми станциями eNB. Из рис. следует, что передаваемый радиосигнал в линии «вниз» определяется количеством поднесущих N в полосе канала и длительностью OFDM-символов.

Рис. Частотно-временная структура блока PRB

Значения параметров формирования OFDM-сигналов в линии «вниз» Таблица

Параметр	Значения параметров
Ширина спектра сигнала, МГц	1,4	3	5,0	10,0	15,0	20,0
Частотное разнесение поднесущих, кГц	15
Ширина спектра PRB, кГц	180
Количество блоков PRB	6	15	25	50	75	100

Для синхронизации и оценки параметров канала блок PRB содержит специальные контрольные сигнальные символы R, которые передаются в первом и пятом OFDM-символе каждого временного слота при коротком CP (рис.) либо в первом и четвертом — при длинном CP. В частотной области контрольные сигнальные символы передаются с фиксированным частотным разносом.

Рис. Распределение контрольных сигнальных символов R во временном слоте

При применении технологии MIMO контрольные сигнальные символы передаются каждой антенной (рис.).

Как показано на рисунке, контрольные сигнальные символы от разных антенн разнесены по времени и частоте. Каждая из антенн не излучает никаких сигналов в моменты времени и на частоте поднесущих передачи контрольных сигнальных символов другими антеннами.

Рис. Распределение контрольных сигнальных символов R0, R1 во временном слоте при технологии MIMO

Особенности распространения радиоволн

Для того чтобы понять принципы действия технологии MIMO необходимо рассмотреть общие принципы распространения радио волн в пространстве. Волны, излучаемые различными системами беспроводной радиосвязи в диапазоне свыше 100 МГц, во многом ведут себя как световые лучи. Когда радиоволны при распространении встречают какую-либо поверхность, то в зависимости от материала и размера препятствия часть энергии поглощается, часть проходит насквозь, а оставшаяся — отражается. На соотношение долей поглощенной, отраженной и прошедшей насквозь частей энергий влияет множество внешних факторов, в том числе и частота сигнала. Причем отраженная и прошедшая насквозь энергии сигнала могут изменить направление своего дальнейшего распространения, а сам сигнал разбивается на несколько волн.

Рис Распределение энергии сигнала при взаимодействии с препятствием

Распространяющийся по вышеуказанным законам сигнал от источника к получателю после встречи с многочисленным препятствиями разбивается на множество волн, лишь часть из которых достигнет приемник. Каждая из дошедших до приемника волн образует так называемый путь распространения сигнала. Причем из-за того, что разные волны отражаются от разного числа препятствий и проходят разное расстояние, различные пути имеют разные временные задержки.

Рис. Пример многолучевого распространения сигнала

В условиях плотной городской постройки, из-за большого числа препятствий, таких как здания, деревья, автомобили и др., очень часто возникает ситуация когда между абонентским оборудованием (MS) и антеннами базовой станции (BTS) отсутствует прямая видимость. В этом случае, единственным вариантом достижения сигнала приемника являются отраженные волны. Однако, как отмечалось выше, многократно отраженный сигнал уже не обладает исходной энергией и может прийти с запозданием. Особую сложность также создает тот факт, что объекты не всегда остаются неподвижными и обстановка может значительно измениться с течением времени. В связи с этим возникает проблема многолучевого распространения сигнала — одна из наиболее существенных проблем в беспроводных системах связи.

Радиочастотные диапазоны сети LTE

Рабочими группами Партнерского проекта 3GPP и ETSI в технических спецификациях для LTE определены 17 полос радиочастот для режима частотного дуплекса FDD и 8 полос для режима временного дуплекса TDD, которые показаны в таблице.

Таблица Диапазоны частот для сети радиодоступа E-UTRA

Номера рабочих диапазонов	Диапазон частот, МГц	Вид дуплекса
	Линия «вверх» (UL)	Линия «вниз» (DL)
1	1920 — 1980	2110 — 2170	FDD
2	1850 — 1910	1930 — 1990	FDD
3	1710 — 1785	1805 — 1880	FDD
4	1710 — 1755	2110 — 2155	FDD
5	824 — 849	869 — 894	FDD
6	830 — 840	875 — 885	FDD
7	2500 — 2570	2620 — 2690	FDD
8	880 — 915	925 — 960	FDD
9	1749,9 — 1784,9	1844,9 — 1879,9	FDD
10	1710 — 1770	2110 — 2170	FDD
11	1427,9 — 1452,9	1475 — 1500,9	FDD
12	698 — 716	728 — 746	FDD
13	777 — 787	746 — 756	FDD
14	788 — 798	758 — 768	FDD
17	704 — 716	734 — 746	FDD
18	815 — 830	860 — 875	FDD
19	830 — 845	875 — 890	FDD
33	1900 — 1920	TDD
34	2010 — 2025	TDD
35	1850 — 1910	TDD
36	1930 — 1990	TDD
37	1910 — 1930	TDD
38	2570 — 2620	TDD
39	1880 — 1920	TDD
40	2300 — 2400	TDD

Из таблицы видно, что диапазоны, предназначенные для развития сетей LTE, уже освоены или осваиваются в России для работы сетей мобильной связи и беспроводного доступа различных технологий. Поэтому, создание в России LTE-сетей сопровождается трудностями с выбором и получением разрешения на использование частотного диапазона. Таким образом, будущее внедрения сетей LTE в России связано с необходимостью реформирования использования радиочастотного спектра на основе национальных процедур его высвобождения и перепланирования.

Распоряжением Правительства Российской Федерации от 21 января 2011 года № 57-р распределены полосы частот для перспективных радиотехнологий, включая LTE. Это диапазоны 800 — 900 МГц; 2,3 — 2,4 ГГц; 2,5 — 2,7 ГГц. 8 сентября 2011 года на заседании Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) полосы радиочастот 791 — 862 МГц,

2500 — 2690 МГц, 2300 — 2400 МГц определены для создания на территории Российской Федерации сетей связи LTE и последующих его модификаций.

Взаимодействие стандарта LTEсо стандартами не-3GPP

Поддержка мобильности абонентского терминала при его перемещении из зоны обслуживания одной сети в зону обслуживания другой — является важной задачей, возникающей при взаимодействии сети LTE с сетями мобильной связи стандартов 3GPP (UMTS/GSM/HSPA+).

Взаимодействие сети LTE с сетями 3GPP заключается в обеспечении дискретной мобильности (роуминга) и обеспечения непрерывной мобильной связи (хэндовера).

Основными интерфейсами взаимодействия сети LTE с сетями 3GPP являются интерфейсы S3, S4 и S12. Данные интерфейсы обеспечивают взаимодействие логического элемента управления мобильностью MME и шлюза S-GW сети LTE с сервисным узлом SGSN сетей 3G с помощью туннельного протокола GTP (GPRSTunnellingProtoсol).Протокол GTP предназначен для передачи данных плоскости управления (протокол GTP-C) и для передачи данных плоскости пользователя (протокол GTP-U).

В условиях роуминга шлюз S-GW визитной сети взаимодействует с шлюзом

P-GW (шлюз взаимодействия с пакетными сетями) домашней сети.

Взаимодействие сети LTE с другими 3GPP для оказания традиционных услуг телефонии осуществляется с помощью как традиционной технологии коммутации каналов (TDM), так и технологии коммутации пакетов на базе сервисной подсистемы IMS.

Хэндовер между сетью LTE и другой сетью 3GPP при осуществлении голосового вызова происходит с помощью взаимодействия логического элемента MME с сервером MSC по интерфейсу Sv в случае вызовов из сети LTE в традиционный домен коммутации каналов (CS-домен); и с помощью взаимодействия логического элемента MME с узлом SGSN по интерфейсу S3 в случак голосового вызова из сети LTE в домен коммутации пакетов (PS-домен).

Взаимодействие сети LTE с сетями не-3GPP разделяется на взаимодействие с сетями с гарантированной безопасностью — «надежными» и взаимодействие с сетями с негарантированной безопасностью — «ненадежными». В качестве «надежных» сетей могут выступать присоединенные сети других стандартов (CDMA2000, WiMAX), в качестве «ненадежных» — публичные IP-сети Интернета. Взаимодействие сети LTE с «надежными» сетями стандартов не-3GPP осуществляется посредством шлюза P-GW, взаимодействие с «ненадежными» сетями — посредством шлюза ePDG.

С учетом концепции построения базовой сети EPC «все через IP» мобильность абонентского терминала при взаимодействии сети LTE с сетями не-3GPP основана на протоколах управления мобильностью в IP-сетях:

• протоколы управления мобильностью на базе хостов — HBM (HostBasedMobility) — MIPv4, DSMIPv6;
• протоколы управления мобильностью на базе сети — NBM (NetworkBasedMobility) — PMIPv6.

Идентификация абонентского терминала по IP-адресу и маршрутизация осуществляется так же как в IP-сетях.

Спектр услуг сети LTE

Услуги, предоставляемые сетями LTE, имеют более широкий спектр по сравнению с сетями 2G/3G. В первую очередь это связано с высокой пропускной способностью сети и повышенной скоростью передачи данных, а так же с переходом на концепцию «все через IP». Основными услугами, предоставляемых сетью LTE являются следующие:

• пакетная передача речи;
• передача Интернет-файлов;
• доставка электронной почты;
• передача мультимедийных сообщений;
• мультимедийное вещание, включающее в себя потоковые услуги, услуги по загрузке файлов, телевизионные услуги;
• потоковое видео;
• VoIP и высококачественные видеоконференции;
• онлайн-игры через мобильные и фиксированные терминалы различных типов;
• мобильные платежи с высокой передачей реквизитов и идентификационной информации.

Дальнейшее развитие технологии LTE

Дальнейшее развитие технологии LTE будет продолжаться в рамках работ над LTEAdvanced. Требования к стандарту: максимальная скорость передачи данных в нисходящем канале — до 1 Гбит/с, в восходящем канале — до 500 Мбит/с (средняя пропускная способность на одного абонента — в три раза выше, чем в LTE); полоса пропускания в нисходящем канале — 100 МГц, в восходящем канале — 60 МГц; максимальная эффективность использования спектра в нисходящем канале — 30 бит/с/Гц, в восходящем канале — 15 бит/с/Гц (втрое выше, чем в LTE); полная совместимость и взаимодействие с LTE и другими системами стандартов 3GPP (GERAN/UMTS).Для решения этих задач предполагается использовать радиоканалы с более широкой полосой (до 100 МГц), ассиметричное разделение полос пропускания между нисходящим и восходящим каналом в случае частотного дуплекса, более совершенные системы кодирования и исправления ошибок; гибридную технологию OFDMA и SC-FDMA для восходящего канала, а также технологию MIMO для антенных систем LTE.