Стандарт радиодоступа 4G LTE

Стандарт радиодоступа 4G LTE

Переход от UMTS к LTE

Разработка первой фазы стандарта LTE (Long Term Evolution) была завершена к 2008г. Ей предшествовало развитие технологии HSPA (High Speed Packet Access) в стандарте UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) [1] и появление стандарта широкополосного беспроводного радиодоступа IEEE802.16e – мобильного WiMAXa. В LTE, как и в WiMAX, на физическом уровне применена технология OFDM, а из HSPA UMTS взято адаптивное управление пакетной передачей в реальном времени с использованием технологии HARQ, многие протоколы уровней L2 и L3. Поэтому LTE является развитием стандартов 3GPP на пути к стандартам 4-го поколения. Главное отличие стандарта LTE от UMTS состоит в резком увеличении рабочей полосы (от 3,84 МГц в UMTS до 10 – 20 МГц в LTE), что и обуславливает увеличение скоростей передачи во много раз. Спецификации LTE впервые появляются в Rel.8 3GPP, развиваясь далее в Rel.9. В настоящее время завершается работа над Rel.10 LTE-A (LTE-Advanced), где сквозная пропускная способность возрастает с 200 до 800 Мбит/с.

Сети LTE ориентированы на использование глобальной пакетной сети GSM/UMTS для организации глобального роуминга. Напомним структуру сети GSM/UMTS (рис.1.1). Её отличительной чертой является использование универсальных интерфейсов Iu для связи ядра сети с обеими подсистемами радиодоступа: GERAN и UTRAN. Следует также отметить, что при пакетной передаче в пользовательской плоскости интерфейсы Gn и Iu(PS) построены как туннельные соединения (рис.1.2).

Рис.1.1. Архитектура интегральной сети UMTS и GSM

 

Рис.1.2. Структура туннельного протокола

Технологии высокоскоростной пакетной передачи, предлагаемые в 3GPP Rel.7, получили название HSPA+. В HSPA+ пиковая скорость вниз может быть увеличена до 28,8 Mбит/с при применении многоантенных систем (технология MIMO), а вверх до скорости 11,5 Мбит/с. В Rel.6 B = 10,8 Мбит/с при R_кода = ¾ и использовании 16-КАМ, а при R_кода =1 B = 14,4 Мбит/с. В Rel.7 добавлена модуляция 64-КАМ, что позволяет увеличить скорость передачи в 1,5 раза. При переходе от 4-ФМ к 16-КАМ требования к отношению сигнал/помеха при приеме сигнала возрастают на 6 дБ, и при переходе от 16-КАМ к 64-КАМ еще на 6 дБ.

Применение многоантенных систем позволяет реализовать следующие технологии

- разнесенный прием (одна передающая антенна и несколько приемных);

- пространственно-временное кодирование (несколько передающих антенн и одна или несколько приемных);

- пространственное мультиплексирование (несколько передающих и несколько приемных антенн).

Последние 2 технологии реализованы в структурах MIMO (multiple input – multiple output).

Рассмотренные методы увеличения скорости передачи при HSDPA привели к расширению списка категорий мобильных станций, поддерживающих ПО Rel.7 (табл.1.1). По сравнению с Rel.6 в табл.1 добавлены категории станций 13 -18, поддерживающих модуляцию 64-КАМ и MIMO.. В результате пиковая скорость вниз при 64-КАМ возрастает до 21,1 Мбит/с, а с MIMO до 28 Мбит/с. Теоретически комбинация 2×2 MIMO и 64-КАМ может поднять пиковую скорость до 40 Мбит/с, но эта комбинация в Rel.7 не предусмотрена. В HSUPA использование 16-КАМ увеличивает скорость передачи до 11,5 Мбит/с.

Таблица 1.1

Категория UE в режиме HSDPA	Модуляция; максимальное число принимаемых кодов;	Максимальное число бит в HS-DSCH транспортном блоке одного 2 мс субкадра; минимальный интервал между субкадрами	Максимальная скорость передачи данных, Мбит/с
Категория 1	4-ФМ, 16-КАМ; 5	7298; 3	1,2
Категория 2	4-ФМ, 16-КАМ; 5	7298; 3	1,2
Категория 3	4-ФМ, 16-КАМ; 5	7298; 2	1,8
Категория 4	4-ФМ, 16-КАМ; 5	7298; 2	1,8
Категория 5	4-ФМ, 16-КАМ; 5	7298; 1	3,6
Категория 6	4-ФМ, 16-КАМ; 5	7298; 1	3,6
Категория 7	4-ФМ, 16-КАМ; 10	14411; 1	7,2
Категория 8	4-ФМ, 16-КАМ; 10	14411; 1	7,2
Категория 9	4-ФМ, 16-КАМ; 15	20251; 1	10,2
Категория 10	4-ФМ, 16-КАМ; 15	27952; 1	14,4
Категория 11	4-ФМ; 5	3630; 2	0,9
Категория 12	4-ФМ; 5	3630; 1	1,8
Категория 13	4-ФМ, 16-КАМ, 64-КАМ; 15	35280; 1	17,6
Категория 14	4-ФМ, 16-КАМ, 64-КАМ; 15	42192; 1	21,1
Категория 15	4-ФМ, 16-КАМ; 15	23370; 1	MIMO – 23,4
Категория 16	4-ФМ, 16-КАМ; 15	27952; 1	MIMO – 28,0
Категория 17	4-ФМ, 16-КАМ, 64-КАМ; 15	35280; 1	17,6
4-ФМ, 16-КАМ; 15	23370; 1	MIMO – 23,4
Категория 18	4-ФМ, 16-КАМ, 64-КАМ; 15	42192; 1	21,1
4-ФМ, 16-КАМ; 15	27952; 1	MIMO – 28,0

В Rel.7 предусмотрена возможность постепенного изменения структуры сети на пути от UTRAN к LTE (Long-Term Evolution) – рис.1.4 [3].

Рис.1.4. Изменение архитектуры сети от Rel.6 до Rel.8

Как было сказано, архитектура LTE в Rel.8 предусматривает упрощение структуры сети до двух элементов: шлюза доступа (a-GW) в ядре сети и модифицированного узла базовых станций eNodeB. Access Gateway (a-GW) содержит ПО протокольного уровня MME (Mobility Management Entity) и ПО пользовательской плоскости шлюза. В рассматриваемой архитектуре сети существенно снижается задержка при передаче пакетного трафика. В Rel.7 предусмотрен последовательный переход от Rel.6 к Rel.8. На первом этапе в пользовательской плоскости устраняют буферизацию трафика в SGSN: через него проходит сквозной туннель от GGSN к RNC. Далее функции контроллера на уровнях RLC и MAC обработки пакетного трафика передают в NodeB, где и происходит принятие решения о выделении канального ресурса и организации пакетной передачи с использованием технологий HSPA.

E-UTRA – эволюция 3GPP UMTS. E-UTRA включает в себя сеть радиодоступа E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) и новую системную архитектуру Evolved Packet Core (EPC). Полное описание структуры сети и принципов ее функционирования приведено в [9].

E-UTRAN построена как совокупность новых базовых станций eNB (E-UTRAN NodeB или eNodeB), где соседние eNB соединены между собой интерфейсом Х2. eNB подключены к EPC посредством интерфейса S1.На рис.1.5 показано взаимодействие новых элементов сети: S-GW (Serving Gateway) – обслуживающих шлюзов, содержащих ПО управления по протоколу ММ (MME – Mobility Management Entity), с eNodeB

.

Рис.1.5. Взаимодействие eNB с сетью и обслуживающими шлюзами

В сети радиодоступа радиоинтерфейс между UE и eNB осуществлен на основе технологии OFDM. Работа EPC основана на технологии IP; при этом обеспечено взаимодействие с 3GPP, WiMAX и Wi-Fi. Такую структуру относят к All-IP Network (AIPN). В результате создана архитектура сети, позволяющая увеличить скорости передачи данных, уменьшить задержки, поддерживать различные технологии радиодоступа, включая MIMO. Полученный стандарт получил название LTE (Long Term Evolution).

 

Структура сети LTE

Задачей технологии LTE является создание архитектуры пакетного радиодоступа для сетей сотовой связи и беспроводного доступа на уровне стандарта WiMAX.

Архитектура E-UTRAN представлена на рис. 2.1 [10]. Она включает в себя ядро пакетной сети EPC (Evolved Packet Core), модернизированные eNB и интерфейсы S1 и X2.

Рис. 2.1. Базовая архитектура сети E-UTRAN

EPC состоит из шлюзов доступа, которые для обслуживаемых ими eNB и абонентских устройств становятся S-GW (Serving Gateway). eNB аккумулируют функции существующих Node B и контроллеров RNC, касающиеся 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.2.2а, а стек протоколов в пользовательской плоскости (туннельный протокол на уровне L2) на рис.2.2б.

a) б)

Рис.2.2. Интерфейс S1

Подуровни L2 SCTP (Stream Control Transmission Protocol) и IP поддерживают стандартный транспорт для передачи сигнальных сообщений. В частности, SCTP обеспечивает надежность передачи и последовательность доставки сообщений.

Аналогичным образом построен и интерфейс Х2 (рис.2.3).

Рис.2.3. Интерфейс Х2

Структура сети LTE приведена на рис.2.5. Ядро сети EPC (Evolved Packet Core) (рис.2.5) состоит из обслуживающего шлюза S-GW (Serving Gateway), шлюза для выхода на пакетные сети P-GW (Packet Data Network Gateway), структуры управления по протоколу Mobility Management MME (Mobility Management Entity), связанной с S-GW и eNodeB сигнальными интерфейсами. На рис. 2.5 соединения для передачи данных показаны толстыми линиями, сигнальные соединения – тонкими сплошными. Пунктиром обозначены сигнальные соединения к опциональным функциональным узлам: другим MME и PCRF (Policy and Charging Resource Function). MME имеет прямой выход на домашний сервер HSS (Home Subscribe Server), выполняющий функции HLR, EIR сетей GSM/UMTS.

 

 

Рис.2.5. Структура сети LTE

 

Рассмотрим взаимодействие узла базовых станций eNB с элементами ядра сети LTE [10]. eNB объединяет в себе функции базовых станций и контроллеров сетей 3-го поколения:

- обеспечивает передачу трафика и сигнализации по радиоканалу,

- управляет распределением радиоресурсов,

- обеспечивает сквозной канал трафика к S-GW,

- поддерживает синхронизацию передач и контролирует уровень помех в соте,

- обеспечивает шифрацию и целостность передачи по радиоканалу,

- выбирает MME и организует сигнальный обмен с ним,

- производит сжатие заголовков IP-пакетов,

- поддерживает услуги мультимедийного вещания,

- при использовании структуры с усилителями мощности на антенной мачте организует управление антеннами по специальному интерфейсу Iuant.

Интерфейс S1, как показано на рис.2.5, поддерживает передачу данных с S-GW и сигнализации через ММЕ. Отметим, что eNB может иметь соединения с несколькими S-GW (рис.1.5).

Интерфейсы X2 используют для организации хэндоверов между соседними базовыми станциями, в том числе и при балансировке нагрузки между ними. При этом интерфейсы Х2 могут быть логическими, т.е. для их организации не обязательно реальное физическое соединение между eNB.

В функции обслуживающего шлюза S-GW входит:

- маршрутизация передаваемых пакетов данных,

- установка качественных показателей (QoS) предоставляемых услуг,

- буферизация пакетов для UE, пребывающих в состоянии Idle Mode,

- предоставление учетных данных для тарификации и оплаты выполненных услуг.

S-GW является якорной структурой, обеспечивающей мобильность абонентов. Каждую работающую UE обслуживает определенный S-GW. Теоретически UE может быть связана с несколькими пакетными сетями; тогда ее будут обслуживать несколько серверов S-GW.

Шлюз для выхода на пакетные сети P-GW организует точку доступа к внешним IP-сетям. Соответственно P-GW является якорным шлюзом для обеспечения трафика. Если абонент имеет статический IP-адрес, то P-GW его активизирует. В случае, если абонент должен получить на время сеанса связи динамический IP-адрес, P-GW запрашивает его с сервера DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) или сам выполняет необходимые функции DHCP, после чего обеспечивает доставку IP-адреса абоненту. В состав P-GW входит PCEF (Policy and Charging Enforcement Function), который входит обеспечивает качественные характеристики услуг на внешнем соединении через интерфейс Sgi и фильтрацию пакетов данных. При обслуживании абонента в домашней сети функции P-GW и S-GW могут выполнять как два разных, так и одно устройство. Интерфейс S5 представляет собой туннельное соединение GPRS или Proxy Mobile Ipv6 [12]. Если P-GW и S-GW находятся в разных сетях (например, при обслуживании абонента в роуминге), то интерфейс S5 заменяют интерфейсом S8.

Управляющий блок ММЕ прежде всего поддерживает выполнение процедур протокола Mobility Management: обеспечение безопасности работы в сети при подключении UE и выбор S-GW, P-GW. ММЕ связан с HSS своей сети посредством интерфейса S6a. Интерфейс S10, соединяющий различные ММЕ, позволяет обслуживать UE при перемещениях абонента, а также при его нахождении в роуминге.

Policy and Charging Resource Function (PCRF) по сути представляет собой управляющий сервер, обеспечивающий централизованное управление ресурсами сети, учет и тарификацию предоставляемых услуг. Как только появляется запрос на новое активное соединение, эта информация поступает на PCRF. Он оценивает имеющиеся в его распоряжении ресурсы сети и направляет в PCEF шлюза P-GW команды, устанавливающие требования к качеству услуг и к их тарификации [13].

Сети E-UTRAN (LTE), как правило, строят во взаимодействии с действующими сетями с коммутацией пакетов стандартов GERAN/UTRAN. Структура интегральной сети GERAN/UTRAN/E-UTRAN показана на рис.2.6 В этой сети MME и SGSN связаны сигнальным интерфейсом S3, а трафик в подсеть GERAN/UTRAN следует через S-GW и PDN GW.

 

Рис.2.6. Интегральная сеть GERAN/UTRAN/E-UTRAN

В сети UTRAN на рис.2.6 показано прямое туннельное соединение в пользовательской плоскости между S-GW и RNC посредством интерфейса S12. Такое соединение возможно при использовании в сети UTRAN оборудования Rel.7 и последующих релизов. Возможно и непрямое соединение, когда передачу пакетов трафика осуществляют по двум последовательным туннелям S-GW ↔ SGSN, SGSN ↔ RNC.

Интерфейс S4 позволяет осуществлять межсистемный хэндовер, т.е. переключение в процессе передачи трафика UE из сети E-UTRAN в GERAN/UTRAN и обратно.

 

Технологии MIMO

MIMO (Multiple Input – Multiple Output) - многоантенные технологии, используемые для решения двух задач:

- повышения качества связи за счет пространственного временного/частотного кодирования и (или) формирования лучей (beamforming),

- увеличения скорости передачи при использовании пространственного мультиплексирования [12].

В любом варианте MIMO речь идет об одновременной передаче в одном физическом канале нескольких сообщений. Для реализации MIMO используют многоантенные системы: на передающей стороне имеется M передающих антенн, а на приемной стороне N приемных. Эту структуру поясняет рис. 2.19.

Математическая модель, описывающая систему (рис.2.19), представляет собой векторное уравнение

r = H × s + n (2.5)

где r и s - вектора принятых и переданных сигналов, а n – вектор помех на входе приемников.

Рис.2.19. Модель канала с М передающими и N приемными антеннами

Коэффициенты передач между различными передающими и приемными антеннами определяет матрица H:

(2.6)

элементы которой h_ij являются комплексными коэффициентами передачи напряжения между i приемной антенной и j передающей. Для того, чтобы приемник мог различать сигналы, передаваемые разными антеннами, коэффициенты матрицы Н должны быть между собой некоррелированными.

Когда речь идет о макросотах (сотах на открытом воздухе с высоко поднятыми антеннами), то для обеспечения низкой корреляции приходящих на UE лучей с разных антенн, требуется разнос антенн на eNB порядка 10λ (длин волн). В то же время на мобильном терминале обычно достаточно разнести антенны на λ, чтобы получить слабо коррелированные приходящие сигналы. Это обусловлено тем, что множество лучей, вызывающих быстрые замирания сигналов и их декорреляцию, обычно формируется в ближней зоне около UE. Такая картина типична для микро и пикосот в зданиях. Точно также антенны eNB, установленных внутри помещений или под крышами зданий, могут быть разнесены на гораздо меньшую дистанцию, чем в макросотах. Все сказанное относится к антеннам с одинаковой поляризацией. Разумеется, что использование антенн с ортогональной поляризацией обеспечивает слабую корреляцию коэффициентов передачи h_ij..

Коэффициенты h_ij приемник рассчитывает, принимая опорные (символы). Эти опорные символы передающие антенны излучают по очереди по установленному алгоритму (рис. 2.13). При передаче опорного символа одной антенной все остальные антенны “молчат”.

При пространственном временном/частотном кодировании группу символов передают либо последовательно во времени на одной поднесущей (пространственно-временное кодирование), либо одновременно на нескольких поднесущих (пространственно-частотное кодирование) параллельными потоками [14]. В практике многоантенных систем широкое применение нашла схема Аламути пространственно-временного кодирования (Space Time Coding – STC). В ней в конфигурации антенн 2×1 (рис.3.20) через антенны 1 и 2 передают следующие друг за другом символы S₁ и S₂ и их комплексно-сопряженные значения S* одновременно в 2 последовательных момента времени:

	Антенна 1	Антенна 2
Время t = 0	s1	s2
t = 1	-s2^*	s1^*

Рис. 2.20. STC при конфигурации антенн 2×1

При приеме в моменты t = 0 и t = 1 получают следующие сигналы:

r(0) = h₁s₁ + h₂s₂ + n(0) (2.7)

r(1) = -h₁s₂^* + h₂s₁^* + n(1),

где n(0) и n(1) – соответствующие отсчеты помехи (шума).

Для выделения сигналов s₁ и s₂ выполняют две линейные операции:

y₁ = h₁^*r(0) + h₂r^*(1) = (|h₁|² + |h₂|²)s₁ + h₁^*n(0) + h₂n^*(1) (2.8)

y₂ = h₂^*r(0) - h₁r^*(1) = (|h₁|² + |h₂|²)s₂ + h₂^*n(0) – h₁n^*(1)

В результате устраняются пространственные взаимные помехи, а результирующее отношение сигнал/помеха

(2.9)

Из (2.9) следует, что даже в случае глубоких замираний по одному из каналов (h₁ или h₂ →0), будет идти прием по другому каналу.

При пространственном мультиплексировании через разные передающие антенны идут разные потоки данных. В результате скорость передачи данных в радиоканале увеличивается в М раз, где М – число независимых потоков данных.

В сетях LTE можно реализовать как однопользовательские MIMO (SU-MIMO), так и многопользовательские MIMO (MU-MIMO). При SU-MIMO вниз все разные потоки данных, передаваемые в одном частотном канале, принимает один UE. В направлении вверх один UE также может передавать через разные антенны несколько независимых потоков.

При MU-MIMO вниз разные потоки будут направлены разным UE, причем каждый мобильный терминал получает только один поток. При использовании MU-MIMO вверх в одном частотном канале одновременно передают несколько UE. На рис. 2.21 показана структура MU-MIMO вниз с 4 UE.

Рис.2.21. Структура MU-MIMO вниз с 4 UE

При переходе от Rel.8 к Rel.10 спецификаций возможности использования технологий MIMO существенно расширились (табл.2.3).

Таблица 2.3.

Используемая технология	LTE	LTE-A
Релиз 8	Релиз 9	Релиз 10
Вниз	SU-MIMO	До 4 потоков	До 4 потоков	До 8 потоков
MU-MIMO	До 2 абонентов	До 4 абонентов	До 8 абонентов
Вверх	SU-MIMO	1 поток	1 поток	До 4 потоков
MU-MIMO	До 8 абонентов	До 8 абонентов	До 8 абонентов

 

Остановимся на особенностях реализации MIMO вниз в LTE-A. eNB должен передавать опорные символы с каждой антенны, чтобы UE, принимая их, могли рассчитать коэффициенты матрицы Н (2.6). Однако, уже при 4-х работающих антеннах снижение пропускной способности ресурсного блока составляет почти 15% (табл.2.1). Чтобы не увеличивать дальнейшего снижения пропускной способности каналов трафика при 8 антеннах, в LTE-A введена новая структура передачи опорных сигналов.

Во-первых, продолжается передача опорных символов (CRS), специфицированных для 4 антенных портов (рис.2.13). Заметим, что представленная на рис.2.13 конфигурация CRS зависит от идентификатора соты. Сохраняя структуру, она может смещаться внутри РБ по вертикали (поднесущим) на 0…5 позиций. Это обеспечивает прием CRS мобильными терминалами с минимальными помехами из соседних сот. Сами опорные символы представляют собой комплексные числа С(n) = С₁(n) + jС₂(n), которые в нормализованном виде составляют 4 возможные комбинации: 1+j, 1–j, -1+j, -1-j, что соответствует 4 позициям радиосигнала при модуляции 4-ФМ. Значения С₁(n) и С₂(n) зависят от номера РБ, номера тайм-слота, номера антенного порта и определяются из кодов Голда, генерируемых eNB при передаче.

В сетях LTE-A eNB, кроме CRS, передает дополнительные опорные сигналы: CSI-RS (Channel State Information – Reference Signal) и UE-RS (UE specific Reference Signal).

При использовании пространственного мультиплексирования существенно усложняется построение приемников. Каждый независимый поток данных создает помехи другим потокам. Поэтому пространственное мультиплексирование реализуют в “хороших” каналах, с высоким отношением сигнал/помеха. Для разделения потоков в приемнике необходимо, чтобы число приемных антенн N было не меньше числа передаваемых потоков данных. Если принять, что каждый поток идет через одну передающую антенну[6], то в соответствии с рис.2.19 N M. Теория и практика показывают, что с увеличением числа приемных антенн (например, при N=4 и М=2 в сравнении с вариантом N=2 и М=2) коэффициент ошибок снижается. Что касается алгоритмов обработки сигналов в приемнике, то все производимые в них операции выполняют на каждой поднесущей.

Опишем различные алгоритмы обработки сигналов в приемнике при пространственном мультиплексировании [12], [17].

Алгоритм максимального правдоподобия. Приемник максимального правдоподобия выполняет векторное декодирование и является оптимальным в смысле минимизации вероятности ошибки. В приемнике производят перебор всех возможных вариантов переданного вектора s. При равной вероятности передачи любых вариантов s искомым сигналом считают , минимизирующий оценку:

(2.10)

Прямая реализация алгоритма при двух независимых потоках и модуляции 16-КАМ требует перебора 16² возможных состояний сигнала, при 4 потоках ‒ 16⁴, а при модуляции 64-КАМ 64⁴ состояний. Просмотр такого числа вариантов пока практически нереализуем, хотя методы сферического декодирования, требующие дополнительного совместного исследования матрицы Н и помех, позволяют существенно уменьшить зону поиска.

Линейные алгоритмы.

Линейные алгоритмы основаны на решении системы М линейных уравнений, получаемых путем псевдообращения матрицы коэффициентов Н (2.4). Этот алгоритм принято называть ZF (Zero-Forcing). Если матрица Н квадратная, то-есть число независимых потоков данных М равно числу приемных антенн N, то вектор переданных сигналов s можно определить, умножив левую и правую части (2.5) на обратную матрицу H^-1 и решив следующую систему уравнений:

s = H^-1 × r – H^-1 × n (2.11)

Если число приемных антенн N больше числа принимаемых потоков данных М, то матрица Н становится прямоугольной размерностью N×М (Н_NM). В этом случае выполняют псевдообращение матрицы Н^MP по алгоритму Мура-Пенроуза, где используют матрицу Н^Н, эрмитово-сопряженную с матрицей Н. Матрицу Н^Н получают, транспонируя матрицу Н и заменяя все элементы h_ij на их комплексно-сопряженные значения. Оператор

(2.12)

имеет размерность М×N. Заменив в (2.11) H^-1 на Н^MP, получаем

s = Н^MP × r – Н^MP × n (2.13)

 

Оба варианта ZF-приемника (2.11) и (2.13) отличаются вычислительной простотой, но дают существенно худший результат в сравнении с алгоритмом максимального правдоподобия, поскольку после умножения Н^MP × n усиливается влияние помех.

С целью улучшения приема используют модифицированный ZF-алгоритм, получивший название MMSE (Minimum Mean Square Error). В MMSE-приемнике оператор Н^MP заменен оператором W_MMSE:

(2.14)

где - соотношение сигнал/помеха, а – единичная матрица размерности M.

Нелинейные алгоритмы.

Нелинейные алгоритмы приемников сигналов с пространственным мультиплексированием дают лучшие результаты, чем линейные, но требуют значительно бόльшего объема вычислений. Одним из наиболее известных нелинейных алгоритмов является Vertical-Bell Labs Layered Space Time Architecture или V-BLAST. Алгоритм работы V-BLAST включает в себя как линейные, так и нелинейные операции. Он основан на QR-разложении канальной матрицы H_NM с последующим определением и исключением отдельных принятых символов. Матрицу H_NM представляют в виде произведения

Н_NM = Q_NM R_MM (2.15)

где Q_NM –унитарная матрица, удовлетворяющая условию:

,

а R_MM – диагональная матрица вида

 

(2.16)

 

Далее преобразовываем уравнение (2.5), умножая его левую и правую части на , к виду

, (2.17)

где вектор , а вектор . Отметим, что вследствие унитарности матрицы мощность помех не возрастает. В результате получаем систему уравнений

 

(2.18)

которую решаем, находя компоненты вектора s, начиная с последнего s_M. Детали реализации алгоритма V-BLAST приведены в [1, гл.15].

Результаты компьютерного моделирования работы детектора V-BLAST в зависимости от отношения сигнал/суммарная помеха (SNR) приведены на рис.2.22. Смоделирована передача 2 потоков данных с модуляцией 16-КАМ при приеме на 2 антенны.

Рис. 2.22. Прием сигналов при пространственном мультиплексировании

LTE радио протокол

LTE радио протокол включает в себя 3 уровня (рис.4.1).

 

Рис.4.1. Структура радио протоколов LTE

В плоскости управления на уровне L3 находится RRC (Radio Resource Control) протокол. Уровень L2 расщеплен на 3 подуровня:

- PDCP – Packet Data Convergence Protocol, протокол конвергенции пакетов данных;

- RLC – Radio Link Control Protocol, протокол управления радиосоединением;

- MAC – Medium Access Control Protocol, протокол управления доступом к среде.

Протокол RRC представляет собой систему алгоритмов и команд, используемых для обслуживания UE на радиоинтерфейсе.

Рассмотрим функции, выполняемые различными подуровнями L2 радиоинтерфейса. На протокольном уровне PDCP обрабатывают данные более высоких уровней: SDU (Service Data Units) – дейтаграммы трафика и сигнальные сообщения. При этом осуществляют:

- сжатие (и, соответственно, восстановление) IP-заголовков, используя протокол ROHC (Robust Header Compression), разработанный IETF и применяемый с сетях UMTS,

- шифрацию и дешифрацию SDU трафика и сигнализации (в UMTS это делают на уровнях RLC или MAC),

- защиту (проверку) целостности сигнальных сообщений (в UMTS это осуществляют на уровне RLC).

Последовательность производимых операций показана на рис. 4.4.

Рис.4.4. Операции, выполняемые на уровне PDCP

Кроме указанных функций, уровень PDCP обеспечивает передачу данных без потерь при хэндоверах и обрывах связи.

На уровне RLC осуществляют:

- сегментацию SDU на PDU (Protocol Data Unit) для передачи и объединение пакетов при приеме в требуемой последовательности,

- коррекцию ошибок при передаче, используя повторную передачу (ARQ),

- устранение ошибок в передаче пакетов, вызванных ошибками сигнализации.

Возможны 3 режима обработки пакетов на уровне RLC в зависимости от характера передаваемой информации:

- прозрачный (transparent mode) – пакеты не обрабатывают на уровне RLC,

- передача без подтверждения (unacknowledged mode),

- передача с подтверждением (acknowledged mode).

На уровне МАС происходит размещение и мультиплексирование пакетов логических каналов в транспортных с последующей передачей их по физическим каналам. Уровень МАС осуществляют:

- управление выделением канального ресурса с учетом приоритетов трафика, т.е. выполняют задачи планирования передач,

- выбор транспортных форматов передач,

- управление повторными передачами непринятых пакетов,

- организацию процедур доступа UE к сети и периодической синхронизации UE,

- измерения: объема передаваемого трафика, загрузки канала, состояния буферов передачи UE, относительной мощности передачи UE и ряд других,

- организацию режима сна/прерывистого приема (DRX) абонентских станций.

Протокольные уровни МАС и RLC тесно связаны между собой. В зависимости от характеристик канала связи и загрузки сети МАС выбирает оптимальный формат передачи (модуляцию, скорость избыточного кодирования, объем передачи), на основе которого RLC устанавливает размер PDU. MAC уведомляет RLC о начале передачи по конкретному соединению и о числе PDU, которые RLC должен выставить в данный момент. При неприеме PDU МАС сообщает RLC о необходимости повторной передачи.

Работой уровня МАС непосредственно руководит планировщик (scheduler), алгоритмы работы которого и ПО являются know-how производителя аппаратуры.

Сигнальный протокол RRC обеспечивает следующие функции и процедуры:

- передачу системной информации по радиоинтерфейсу,

- пейджинг,

- установление, поддержку и разрыв соединения по протоколу RRC между UE и e-UTRAN,

- выполнение задач безопасности, в том числе управление ключами,

- организацию части сквозного канала на радиоинтерфейсе,

- хэндоверы,

- селекцию сот при перемещении UE,

- передачу сигнализации NAS между UE и ядром сети,

- исправление системных ошибок между UE и ядром сети,

- поддержку самоконфигурации и самооптимизации сети.

 

Процедура доступа UE к сети

Процедура доступа UE к сети проиллюстрирована рис. 5.4. Она начинается с посылки преамбулы по каналу PRACH. В отличие от сетей UMTS, где преамбула не является сообщением ортогональным по отношению к пользовательскому трафику, в E-UTRA приняты специальные меры для ортогонализации передачи преамбулы. По каналу системной информации сеть передает сообщение всем пользовательским терминалам о выделенном канальном ресурсе для передачи преамбул. Этот ресурс составляет 6 ресурсных блоков и определенное число временных слотов. На рис. 5.5 показан вариант для передачи преамбулы формата 0 длительностью в 1 субкадр (1 мс).

 

Рис.5.4. Процедура доступа UE к сети

 

Рис.5.5. Выделение канального ресурса для передачи преамбулы

При этом возникает проблема устранения межсимвольной интерференции, поскольку UE передает преамбулу с запаздыванием, обусловленным ее удалением от eNB. Ее решают следующим образом. Длина преамбулы составляет примерно 80% выделяемого временного ресурса, а в начале преамбулы передают СР, занимающий10% выделенного времени (рис. 5.6, соответствующий формату 0). В результате образуется защитный интервал порядка 10% выделенного времени, что позволяет обслуживать UE при их удалении до 15 км от eNB (суммарный пробег по трассе 30 км, что при скорости света 3×10⁸м/с создает задержку в 0,1 мс).

Рис.5.6. Временные соотношения при передаче преамбулы

Преамбула представляет собой ZC-последовательность; ее длина и длина СР зависят от выбранного в сети формата преамбулы. Спецификации [14] устанавливают 5 возможных форматов преамбул (табл. 5.1).

 

Таблица 5.1

Формат преамбулы	ТСР	ТZC-последоват.
	3168∙Тs	24576∙Тs
	21024∙Тs	24576∙Тs
	6240∙Тs	2∙24576∙Тs
	21024∙Тs	2∙24576∙Тs
	448∙Тs	.4096∙Тs

 

Из табл.5.1 следует, что в формате 0 для передачи преамбулы выделяют 1 субкадр (напомним, что его длина составляет 30720 Т_s). Передача преамбулы в форматах 2 и 3 занимает 2 субкадра, а в формате 3 – 3 субкадра. В формате 4 преамбулу передают в поле UpPTS подкадра S (рис.3.3). Для формирования преамбул форматов 0-3 используют ZC-последовательности длиной 839 символов, для преамбул формата 4 длина ZC-последовательности составляет 139 символов. Всего в каждой соте UE случайным образом выбирает один из 64 возможных вариантов взаимно-ортогональных преамбул. За один кадр (10 мс) UE может отправить только одну преамбулу.

eNB обнаруживает абонента, запрашивающего доступ, детектируя преамбулу. В ответном сообщении RAR (Random Access Response) eNB подтверждает получение преамбулы, присваивает абоненту временный идентификатор и передает информацию о времени упреждения, что необходимо для синхронной работы в сетях с частотно-временным разделением каналов.

Информацию о поступлении ответа от eNB UE получает по каналу PDСCH. Его идентифицируют как RA-RNTI. Обратное сообщение RAR от eNB к UE, передаваемое по каналу PDSCH, состоит из заголовка (MAC header) и информационной части [16]. Заголовок занимает один октет и содержит номер преамбулы (0…63), выбранной UE для запроса на подсоединение к сети. Структура MAC RAR приведена на рис. 5.7.

Рис.5.7. Структура MAC RAR

Сообщение MAC RAR содержит информацию о выделяемом абонентской станции канальном ресурсе (UL Grant), временный идентификатор абонента (Temporary C-RNTI) и команду на установку таймера времени упреждения (Timing Advance Command). Величину Timing Advance передают в виде 11-битового числа T_A в диапазоне 0…1282. Для вычисления Timing Advance в секундах надо переданное число T_A умножить на 16T_s. Следовательно, диапазон возможных установок Timing Advance находится в пределах 0≤ N_TA ≤ 20512 T_s, что при T_s = 1/(15000×2048)c составляет 0…0,668мс (это соответствует соте радиусом 100 км). Далее, в процессе обслуживания при перемещении UE сеть корректирует Timing Advance, отправляя сообщения T_A для вычисления N_TA,new по формуле

N_TA,new = N_TA,old + (Т_А – 31)×16

Точность установки Timing Advance в соответствии с [17] составляет 16 T_s, что во времени означает погрешность в 0,52 мкс.

 

Безопасность в сетях LTE

Безопасность в сетях LTE основана на тех же принципах, что и в сетях UTRAN:

- взаимная аутентификация абонента и сети,

- шифрация сообщений в радиоканале,

- защита целостности передаваемых сообщений,

- защита абонентов.

Защита абонента состоит в том, что его в процессе обслуживания закрывают временными номерами (идентификаторами) M-TMSI, S-RNTI и C-RNTI.