Введение в LTE (стр. 2 из 3)

Исходной точкой для стандартизации LTE стала рабочая встреча 3GPP RAN Evolution Workshop, проведенная в ноябре 2004 года в Торонто, Канада. В декабре 2004 года начались исследования, целью которых было выработать временные рамки эволюции технологии радиодоступа 3GPP:

· сокращенная стоимость на бит;

· увеличение объема услуг - больше услуг за меньшую цену с более высокой удовлетворенностью пользователей;

· гибкое использование существующих и новых частотных диапазонов;

· упрощенная архитектура и открытые интерфейсы;

· приемлемое энергопотребление терминалов

Изучение потребовалось для того, чтобы подтвердить, что концепция LTE сможет обеспечить набор требований, сформулированных в в 3GPP TR 25.913 Feasibility Study of Evolved UTRA and UTRAN (1) (см. набор фактов о начальных требованиях 3GPP).

Разработку LTE разбили на так называемые контрольные точки, а график работ согласовали на пленарных заседаниях 3GPP в Южной Корее в мае и в июне 2007 года. Результаты наглядно показывали, что LTE отвечает, а иногда и превосходит, цели, установленные в отношении пиковых скоростей, пропускной способности сот и спектральной эффективности, а также по производительности VoIP и Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS).

Была поставлена цель завершить стандартизацию LTE до конца 2007 года. После первого релиза были запланированы доработки, которые будут связаны с изменениями требований и функциональности.

рис.3. График стандартизации 3GPP LTE

Факты: набор исходных требований 3GPP к LTE

· повышенная пиковая скорость: 100 Мбит/с в направлении вниз и 50 Мбит/с в направлении вверх;

· сокращение отклика сети радиодоступа до 10 мс

· повышенная спектральная эффективность (в 2-4 раза, по-сравнению с HSPA Release 6)

· эффективная по затратам миграция от радиоинтерфейса и архитектуры Release 6 Universal Terrestrial Radio Access (UTRA)

· Улучшенная возможность широковещания;

· IP-оптимизация (фокус на услугах в области пакетной коммутации);

· масштабируемый диапазон от менее, чем 5 МГц до 5 МГц, 10 МГц, 15 МГц и 20 МГц;

· поддержка работы, как с парными, так и с непарными частотными диапазонами

· поддержка межсетевого взаимодействия с существующими системами 3G и системами, которые не стандартизировались 3GPP.

Архитектура

В параллель с радиодоступом LTE, опорные пакетные сети также эволюционируют к плоской архитектуре SAE. Эта новая архитектура разработана для оптимизации производительности, улучшения эффективности затрат и упрощения запуска услуг на базе IP для массового рынка.

На пользовательском уровне архитектуры SAE есть всего два базовых устройства: базовая станция LTE (eNodeB) и гейт SAE Gateway, как показано на рис.4. Базовые станции LTE подключаются к опорной сети, используя интерфейс S1 - Core Network - RAN. Такая плоская архитектура сокращает число узлов, необходимых для обеспечения соединения.

Существующие системы 3GPP (GSM и WCDMA/HSPA) и 3GPP2 (CDMA2000 1xRTT, EV-DO) интегрированы в систему LTE за счет использования стандартизованных интерфейсов, обеспечивающих оптимизированную мобильность. Для систем 3GPP это означает наличие сигнального интерфейса между CDMA RAN и новой опорной сетью. Такая интеграция обеспечит поддержку, как двойных, так и одиночных радио хэндоверов, обеспечивая возможность плавной миграции к LTE.

Управление сигнализацией, например, для обеспечения мобильности, поддерживается узлом управления мобильностью (Mobility Management Entity, MME), выделенным из гейта (Gateway). Это упрощает оптимизацию развертывания сети и обеспечивает возможность гибкого масштабирования ее емкости.

Сервер домашних абонентов (HSS) подключается к пакетной сети (Packet Core) за счет интерфейса, основанного на Diameter, а не на базе сигнализации SS7, которая использовалась в сетях GSM и WCDMA. Сигнализация сети для полицейского прослуживания и для биллинга (charging) также основана на Diameter. Это означает, что все интерфейсы архитектуры - это IT-интерфейсы.

Существующие системы GSM и WCDMA/HSPA интегрированы с системой LTE с помощью стандартизованных интерфейсов между SGSN и опорной сетью LTE. Как ожидается, попытка интегрировать CDMA доступ также приведет к обеспечению возможности поддержания мобильности между сетями CDMA и LTE. Такая интеграция также должна обеспечивать, как дуальный, так и одиночный хендовер вызовов, что обеспечивает гибкую возможность миграции из сетей CDMA в сети LTE.

В LTE-SAE действует концепция QoS (качества услуги), основанная на понятии класса услуги. Это обеспечивает простое, но эффективное решение, позволяющее оператору предлагать дифференцировать предоставляемые пакетные услуги.

рис.4 Плоская архитектура LTE и SAE

Радиотехнология OFDM

LTE использует OFDM для формирования нисходящего канала, т.е. канала от базовой станции к мобильному устройству. OFDM отвечает требованиям LTE к спектральной гибкости и позволяет создавать эффективные по затратам решения для широкополосных несущих с высокими пиковыми скоростями передачи данных. Это хорошо проработанная технология, о чем свидетельствует целый спектр стандаров, таких, как IEEE 802.11a/b/g. 802.16, HIPERLAN-2, DVB и DAB.

OFDM использует большое количество узкополосных поднесущих для обеспечения передачи. Базовый нисходящий канал LTE на физическом уровне можно рассматривать, как частотно-временную решетку, как показано на рис.5. В частотной области, промежутки между поднесущими, дельта f, составляют 15 кГц. Кроме того, продолжительность "символа" OFDM составляет 1 / дельта f + префикс цикличности. Префикс цикличности используется для обеспечения ортогональности между поднесущими даже в условиях радиоканала с дисперсией по времени.

Один ресурсный элемент формируется модуляцией QPSK, 16QAM или 64QAM. В случае, если используется модуляция 64QAM, каждый ресурсный элемент обеспечивает передачу 6 бит информации.

Символы OFDM сгруппированы в ресурсные блоки. Ресурсные блоки имеют размер в 180 кГц в частотном измерении и 0.5 мс во временном измерении. Каждый временной интервал передачи (TTI, Transmission Time Interval) состоит из двух слотов (Tslot).

Каждому пользователю присваивается некоторое количество так называемых ресурсных блоков в частотно-временной решетке. Чем больше ресурсных блоков назначается пользователю, и чем более высокая степень модуляции используется в формировании ресурсных элементов, тем более высокий обеспечивается бит-рейт.

Какие ресурсные блоки будут назначены и сколько их получит пользователь в данный момент времени, зависит от усовершенствованного механизма составления частотно-временного расписания. Механизм составления расписания, используемый в LTE, похож на тот, что применяется в HSPA и обеспечивает оптимальное функционирование различных услуг в различных условиях.

рис.5 Физические ресурсы нисходящего канала LTE основаны на OFDM

В восходящем канале, LTE использует пре-кодированную версию OFDM под названием SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access - множественный доступ с частотным разделением на базе одной несущей). Это предпринято для того, чтобы компенсировать расходы на OFDM, который отличается очень высоким отношением пиковой мощности к средней мощности радиосигнала (PARP - Peak to Average Power Ratio). Реализация высоких значений PARP требуют использования дорогих и неэффективных усилителей мощности, предъявляющих высокие требования к линейности, что сказывается на росте стоимости терминалов и быстроте разряда батарей.

SC-FDMA позволяет решить проблему за счет объединения ресурсных блоков таким образом, что сокращаются требования к линейности, а также к потребляемой мощности усилителя. Низкие значения PARP кроме того улучшают покрытие и производительность соты.

Усовершенствованные антенны

Усовершенствованные антенные решения были разработаны для внедрения HSPA (eHSPA) и будут использоваться в системах LTE. Решения, в которых применяется несколько анетенн, отвечают требованиям к мобильным сетям следующего поколения в отношении пиковых скоростей передачи данных, расширенного покрытия и высокой емкости.

Усовершентствованные антенные решения с использованием нескольких антенн являются ключевыми компонентами для достижения этих целей. Не существует решения антенного устройства, которое отвечало бы каждому возможному сценарию. Соответственно, есть целое семейство антенных решений для различных сценариев развертывания сети. Высокие пиковые скорости передачи данных, например, могут достигаться за счет использования многослойных антенных решений, таких как 2x2 или 4x4 MIMO, тогда как расширенное покрытие удобнее обеспечивать за счет использования бимформинга.

Частотные диапазоны для FDD и TDD

LTE может использоваться, как в парных (FDD), так и в непарных (TDD) участках спектра. Первые релизы продукта от лидирующих поставщиков будут обеспечивать поддержку обеих дуплексных схем. В целом, FDD - обеспечивает большую эффективность и представляет более более высокий потенциал использования устройств и инфраструктуры, тогда как TDD может выполнять роль хорошего дополнения, например, для заполнения пробелов. Более подробно читайте в краткой справке (ниже), посвященной FDD и TDD. Поскольку оборудование LTE практически идентично для случаев FDD и TDD (кроме фильтров), операторы которые начнут с сооружения сетей TDD, смогут впоследствие воспользоваться эффектом экономии на масштабе, который обеспечит широкое распространение продуктов FDD.

Факты о FDD и TDD

Все сотовые системы связи сегодня используют FDD, и более 90% частот, используемых системами мобильной связи во всем мире - это парные наборы полос частот. В случае FDD, трафик вниз и вверх обеспечивается одновременно в различных частотных диапазонах. В системах TDD, передача в канале вверх и вниз не ведется непрерывно, что позволяет использовать для организации канала один и тот же частотный диапазон. Например, если разделить время между передачей вверх и вниз в соотношении 1:1, то направление вверх будет использоваться лишь половину времени. Средняя мощность, для каждого сеанса связи, также оказывается равна половине пиковой мощности. Поскольку пиковая мощность ограничена регулятором, то в результате получается, что для той же пиковой можности, TDD обеспечивает меньшее покрытие, нежели FDD.