Качественные показатели и их обеспечение в сетях LTE

Как и в UMTS, в сетях LTE доставку услуг осуществляют по сквозным каналам (bearer) с необходимыми качественными характеристиками (QoS – Quality of Service). Важнейшими из них являются:

- классы трафика,

- приоритеты,

- надежность,

- задержки,

- скорости передачи.

В зависимости от требований QoS все виды предоставляемых услуг поделены на 9 классов и каждому классу присвоен идентификатор QCI (QoS Class Identifier). В свою очередь организуемые для передачи трафика сквозные каналы поделены на 2 группы в зависимости от типа выделяемого ресурса:

- с гарантированной скоростью передачи GBR (Guaranteed Bit Rate),

- не с гарантированной скоростью передачи Non-GBR.

На основе разработанной классификации в [13] приведена таблица требований к качественным показателям передач для трафика 9 разных классов (табл.7.1).

Передача с гарантированной скоростью требует от eNB управления в динамическом режиме. Услуги классов QCI 1,2, 3 и 7 – это услуги, реализуемые в реальном времени по протоколу UDP/IP. Для них основным ограничивающим фактором является допустимая задержка в доставке пакетов. В [13] указано, что в табл.6.1 приведена усредненная величина задержки между точкой доступа[8] в шлюзе P-GW и UE. При этом возможно увеличение задержки до 50 мс при роуминге, например, между Америкой и Европой.

Таблица 7.1

QCI	Тип ресурса	Приоритет	Задержка (мс)	PERL	Примеры услуг
				10^-2	Телефония в реальном времени
	GBR			10^-3	Видеотелефония, видео в реальном времени
				10^-3	Игры в реальном времени
				10^-6	Видео с буферизацией
				10^-6	Сигнализация (IMS)
			300	10^-6	Видео с буферизацией, TPC/IP услуги для приоритетных пользователей
	Non-GBR	7	100	10^-3	Аудио, видео в реальном времени, интерактивные игры
		8	300	10^-6	Видео с буферизацией, TPC/IP услуги

 

Надежность передачи оценивают по относительной величине непринятых пакетов PERL (Packet Error Loss Rate). Обеспечение величины PERL ≤ 10^-6 возможно при доставке пакетов по протоколу TCP/IP. Отметим, что наивысшим приоритетом обладает сигнальный трафик. По умолчанию доставка TCP/IP трафика (чтение файлов из Интернета, E-mail, видео) непривилегированным пользователям идет по классу 9.

Для передачи сервисного потока данных конкретной услуги организуют сквозной канал (bearer) соответствующего класса QCI. Сквозной канал характеризуют следующие параметры:

- установленный и сохраняемый приоритет,

- для GBR классов передачи гарантированная и максимальная скорость передачи, которая не может быть превышена,

Для сквозных каналов с негарантированной скоростью передачи устанавливают суммарную скорость передачи потоков по всем каналам. Сквозные каналы GBR классов являются выделенными.

Динамическим выделением канального ресурса управляет планировщик (scheduler) в eNB. В алгоритме работы планировщика учитывают:

- состояние радиоканалов с конкретными UE,

- атрибуты сквозных каналов,

- характеристики передач по сквозным каналам, включая состояние буферов UE при передаче вверх,

- помеховые ситуации в соседних сотах и возможности межсотовых хэндоверов с целью улучшения условий работы UE, находящихся вблизи границ сот.

Работа планировщика также связана с программами управления доступа к сети и управления ситуациями перегрузки на радиоинтерфейсе.

Отдельно стоит вопрос передачи телефонного трафика в сетях LTE. Поскольку стандарт LTE разработан для передачи пакетного трафика, он не может напрямую поддерживать услугу телефонии с коммутацией каналов. Однако именно голосовой трафик приносит операторам мобильной связи наибольший доход. Поэтому сейчас рассматривают несколько вариантов передачи телефонии по сетям LTE.

Первый вариант состоит в переходе на технологию VoIP. В настоящее время в трактах VoIP широко применяют вокодеры, такие как iLBC (Internet Low Bit Rate Code) в системах Skype и Googlenet, снижающие скорость передачи речи с 64 до13 кбит/с. Указанная ранее технология ROHC позволяет уменьшить заголовки пакетов VoIP с 40 – 60 байт до 1-3 байт.

Постепенно решаются проблемы со сквозными задержками в каналах VoIP и с временным джиттером. Сейчас, особенно при использовании технологии IMS, можно снизить сквозную задержку до 300 мс, которую большинство абонентов не замечает.

Еще одной проблемой перехода на VoIP является резкое увеличения нагрузки на канал PDCCH, если планирование канального ресурса абонентам VoIP осуществлять в динамическом режиме. Альтернативой является полупостоянное назначение (Semi-Persistent Scheduling) канального ресурса таким абонентам. Информацию о выделенных РБ в определенных субкадрах передают в индивидуальных управляющих сообщениях (по логическому каналу DCCH) на много кадров вперед. Тогда PDCCH будут использовать только при повторной передаче пакетов и для передачи указателя пауз SID (Silence Identifier) в речевом потоке. Как второй способ снижения нагрузки на канал PDCCH рассматривают передачу VoIP в виде связок пакетов (длинных пакетов – packet bundling). Однако при этом ужесточаются требования к задержкам и надежности в сети.

Второй вариант состоит в переключении абонента (межсистемном хэндовере) на время передачи телефонии на сеть GSM/UMTS. Здесь важным аспектом является качество хэндовера и поддержка параллельных услуг пакетного трафика. Наконец, есть вариант установки между коммутатором с коммутацией каналов (MSC) и пакетной сетью LTE специального контроллера для преобразования потока данных телефонии в пакеты с последующей их передачей по радиоканалу в пакетном режиме.

Агрегация частотных полос

.Агрегация (присоединение) частотных полос является наряду с пространственным мультиплексированием основным способом увеличения скорости передачи данных. В LTE Rel. 8/9 максимальная ширина частотного канала 20 МГц. Дальнейшее расширение канала технологически затруднено, так как сложно обеспечить необходимую точность синхронизации при когерентном приеме сигналов на поднесущих с большими номерами.

Для увеличения ширины полосы в Rel. 10 предложена технология агрегация полос. Это означает, что одновременно с передачей в базовой полосе частот появляется возможность вести одновременно передачу еще в нескольких полосах. При этом в каждой новой полосе формируют индивидуальный сигнал OFDM, где поднесущие номеруют от 1 до максимальной. Это означает, что передают несколько независимых сигналов, которые могут принимать как один терминал, так и разные терминалы. Повторную передачу непринятых пакетов также осуществляют независимо в каждой полосе.

Агрегировать можно полосы разной ширины (5, 10, 20 МГц), причем число присоединенных полос вниз и вверх может быть разным (асимметричный трафик), но число полос вверх не может быть больше их числа вниз. Общее число агрегируемых полос вниз может достигать 5. Оператор может выбирать полосы из одного диапазона (подряд или с промежутками) или из разных диапазонов (рис. 2.23). Частотные диапазоны, выделенные для сетей LTE с частотным дуплексом, приведены в табл. 2.5, c временным дуплексом в табл.2.6.

Рис.2.23. Варианты выделения полос при агрегации

Мобильные терминалы, начиная с Rel.10, должны поддерживать такие режимы.

Для формализации процедур обслуживания UE одна из агрегированных полос относится к первичной соте (primary, PCell), а остальные ‒ ко вторичным (secondary, SCell). В полосе первичной соты передают всю системную информацию: синхронизирующие сигналы, канал РВСН, SIB’ы, пейджинг, ответы eNB на запросы на доступ к сети., поскольку этот канал используют все UE, обслуживаемые данным.eNB. UE, использующие агрегацию полос, получают в первичной соте индивидуальные сообщения каналов управления, включая сигнализацию NAS. В этой полосе UE производят запросы на доступ к сети и выполняют измерения, связанные с хэндовером.

Что касается сообщений канала PDCCH о выделении UE канального ресурса для передачи трафика, то здесь возможны 2 варианта. В каждой рабочей полосе можно сконфигурировать свой канал управления PDCCH и по нему передавать сообщения о выделении канального ресурса только для этой полосы. Однако в ряде случаев, особенно в неоднородных сетях, где в макро и микро (пико) сотах ведут передачу совместно в нескольких полосах, целесообразен вариант перекрестного управления. В этом случае для первичных сот разных подсетей выбирают разные полосы и в каждой первичной соте передают в канале PDCCH всю информацию о выделяемом канальном ресурсе в первичной и во всех вторичных сотах eNB данной подсети. Такой способ позволяет ослабить помехи при приеме сигналов PDCCH в маломощных микро и пикосотах.

Спецификации [5, AnnexJ] предлагают 5 сценариев использования технологии агрегации полос. В сценарии 1 (рис. 2.24,а) рабочие полосы F₁ и F₂ взяты из одного диапазона, покрытие сот в полосах практически одинаковое, в обеих полосах может быть обеспечена мобильность абонента.

В сценарии 2 (рис.2.24б) полосы F₁ и F₂ взяты из разных, далеко отстоящих по частоте диапазонов, например, F₁ из диапазона 17, а F₂ из диапазона 7. В этом случае каналы F₂ покрывают меньшую территорию, в зонах повышенного трафика, и мобильность абонента обеспечивается только в полосе F₁. Аналогичная ситуация возникает, когда полосы F₁ и F₂ находятся в одном диапазоне, но в полосе F₂ работают с пониженной мощностью.

 

 

а) б)

в)

Рис.2.24. Сценарии применения технологии агрегации полос

В сценарии 3 (рис.2.24в) полосы F₁ и F₂ взяты из одного диапазона, но диаграммы направленности антенн в полосе F₂ смещены так, чтобы улучшить покрытие по границам сот полосы F₁. Как следует из рис. 2.11в, лучшее покрытие и мобильность абонентов обеспечивает полоса F₁.

Применяя совместно технологии агрегации полос и MIMO, можно получить сквозные скорости передачи данных порядка 1 Гбит/с. При полосе радоиканала в 20 МГц и использовании модуляции 64-КАМ сквозная скорость в канале достигает 70 Мбит/с. При агрегации 4 полос по 20 МГц и, мультиплексируя 4 потока данных, получим сквозную скорость в радиоканале 4×4×70 ≈ 1 Гбит/с

 

Фемтосоты

Технология фемтосот в последние 2-3 года вызывает большой интерес у операторов и абонентов сетей UMTS, CDMA2000, LTE и WiMAX. Идея фемтосот состоит в установке в зданиях: квартирах, офисных помещениях, маломощных домашних базовых станций соответствующих стандартов (их так и называют Home NodeB) и для обслуживания абонентов, находящихся в зоне неуверенного приема или отсутствия сигнала сети сотового оператора.

В действующих сотовых структурах можно выделить следующие типы сот (рис. 10.1)

- Макросоты (Macrocell). Радиус обслуживаемой территории от 500 ‒ 1500м и более. Являются основой построения сети сотового оператора, используются для обеспечения сплошного покрытия большой территории.

- Микросоты (Microcell). Радиус обслуживаемой территории 300 ‒ 500м. Используются для обслуживания абонентов вне помещений путем покрытия отдельных улиц и обеспечивают дополнительную емкость сотовой сети. По структуре покрытия микросоты обслуживают локальные области (группы территориально объединенных зданий - бизнес-центры, выставочные центры, университеты, аэропорты и т. д.).

- Пикосоты (Picocell). Радиус обслуживаемой территории 100 ‒ 300м. Предназначены, прежде всего, для обеспечения покрытия внутри помещений и в тех зданиях, где отмечается повышенный спрос на услуги высокоскоростной передачи данных (видеоконференции, мультимедиа и т. д.).

- Фемтосоты (Femtocell). Радиус обслуживаемой территории порядка 20 ‒ 50м. Фактически это полноценные маломощные базовые станции, предназначенные для обслуживания небольшой территории (офиса, квартиры).

Рис. 10.1. Типы сот

Для сетей LTE характерна неоднородность их структур. Наряду с обычными макро и микросотами, пикосот в зданиях предполагают широкое использование фемтосот и распределенных антенных систем. Фемтосота (femtocell) ‒ это сота небольшого размера, устанавливаемая в квартире или офисе и обслуживаемая маломощной базовой станцией сотовой связи (мощность передатчика до 20 мВт). Такую станцию называют домашней базовой станцией Home eNodeB (HeNB).

Архитектура сети E-UTRAN с фемтосотами приведена на рис. 1.7.

Рис.1.7. Архитектура E-UTRAN с фемтосотами

 

Так как домашняя базовая станция располагается близко от мобильного терминала, последний работает с пониженной мощностью передатчика и значительно медленнее расходует заряд батареи. Как правило, в пределах комнаты на приемники UE и HeNB приходят радиосигналы с низким затуханием, что обеспечивает высокие отношения сигнал/помеха на входах приемников. Это дает возможность использовать в радиоканале высокоэффективные модуляционно-кодирующие схемы и технологии пространственного мультиплексирования (см. далее 2.3), что позволяют увеличить число подписчиков на высокоскоростные услуги 4G. Фемтосоты также применяют для локального расширения зоны действия сети в зонах сильного затухания сигнала или даже за пределами радиуса действия основной сети.

Фемтосоты отличаются от макро – пикосот разделением абонентов на группы и категории в зависимости от их прав на подключение к HeNB. Есть фемтосоты, доступные для всех категорий абонентов, а есть фемтосоты, доступные только для закрытых групп пользователей CSG (Closed Subscriber Group). Такие фемтосоты подключают только тех абонентов, которые прописаны в их HeNB. Каждой CSG оператор присваивает специальный идентификатор CSG ID. Наконец, есть фемтосоты с гибридным доступом (Hybrid Access). Такие соты доступны всем пользователям, но абонентам, которые в них прописаны (т.е. входящим в соответствующие CSG), предоставляют приоритетное обслуживание.

Следует отметить, что в Rel.10 спецификаций существенно расширены возможности обслуживания абонентов в фемтосотах. Так на рис. 1.7 находящиеся рядом фемтосоты соединены между собой посредством интерфейса Х2, как и макросоты. В Rel. 8-9 этого не было (см. [1, рис. 9.3]). Появление в структуре фемтосот интерфейса Х2 позволяет осуществлять между ними хэндовер, а также балансировку нагрузки.

Существуют 2 разных способа подключения фемтосот к сети. В первом варианте фемтосоты (HeNB) соединены с ядром сети ММЕ/S-GW (ЕРС) через специальный фемтошлюз HeNB GW посредством интерфейсов S1 (рис. 1.7, 1.8).

 

Рис.1.8. Подсоединение HeNB к ядру сети через фемтошлюз

При этом фемтошлюз обрабатывает только сообщения сигнализации, следующие по сигнальной части интерфейса S1-MME (S1-C), а для трафика (по S1-U) фемтошлюз прозрачен. На уровне протоколов со стороны ММЕ шлюз воспринимается как eNB, а со стороны HeNB как ММЕ. Для обеспечения защиты трафика и сигнальных сообщений на S1 между UE и фемтошлюзом организуют туннель на основе протокола IPSEC, а непосредственно в фемтошлюзе или перед ним размещают шлюз безопасности SeGW.(Security Gateway). Один фемтошлюз может обслуживать десятки и сотни HeNB. Процедуры предоставление услуг при таком способе подключения фемтосот к ядру сети ничем не отличаются от аналогичных процедур в макросотах, за исключением особенностей обслуживания абонентов закрытых пользовательских групп (CSG).

Второй способ подключения фемтосот состоит в использовании локального доступа к IP-сети LIPA (Local IP Access) для передачи трафика непосредственно из HeNB. При этом с ядром сети HeNB связана посредством интерфейса S5 (рис. 1.7), а обмен пакетами трафика с сетью идет через специальный локальный шлюз LIPA L-GW (Local Gateway) (рис. 1.9). Одновременно с LIPA HeNB поддерживает связь с ядром сети через интерфейс S1 для тех абонентов и соединений, для которых доступ к сети Интернет осуществляют через PDN GW. Спецификации LTE позволяют реализовывать разные сценарии, например, когда абонент скачивает на компьютер интерактивный трафик (файлы из Интернета) через PDN GW, а через LIPA принимает видео из локальной IP-сети.

 

Рис.1.9. Использование в фемтосети LIPA

Шлюз LIPA L-GW в большинстве вариантов встроен в HeNB, но может представлять собой отдельное устройство и даже принадлежать другому оператору. Интерфейс S5 – это интерфейс, разработанный для туннельного соединения между S-GW PDN GW (рис. 1.1). В структурах с LIPA его используют в основном для сигнального обмена. Если L-GW встроен в HeNB, то HeNB и L-GW могут иметь один IP-адрес. Для защиты информации на S5 применяют протокол IPSEC.

Функциональная структура сети с LIPA показана на рис. 1.10 [6].

Рис.1.10. Передача трафика в фемтосети с LIPA

Трафик через LIPA идет в обход ядра сети, что уменьшает нагрузку на интерфейсы S1-U и S5. Абоненты также могут получить выигрыш за счет снижения тарифов при обслуживании через LIPA. Однако пользователи LIPA должны иметь подписку на эту услугу, что фиксируется в HSS. Фактически абоненты, пользующиеся LIPA, входят в определенные выделенные группы (CSG). Спецификации предоставляют возможность реализовывать LIPA и для абонентов, находящихся в роуминге, но при условии подписки на эти услуги. Пока последняя версия спецификаций LTE Rel.11 не поддерживают хэндовер UE, обслуживаемых через LIPA.

LIPA в фемтосетях можно рассматривать как специально выделенный сценарий более общей технологии SIPTO (Selected IP Traffic Offload), что предусматривает отвод части трафика через локальные точки доступа из различных сот, от пикосот до макросот. Для этого могут быть использованы локальные PDN GW, обеспечивающие кратчайший путь для трафика конкретных UE (рис. 1.11).

Рис.1.11. Вариант реализации SIPTO

 

8. Алгоритмы работы планировщика

Как было сказано в гл.4, выбор блоков на передачу, выбор модуляционно-кодирующей схемы и выделение ресурсных блоков осуществляет ПО уровня МАС. Весь этот процесс происходит в реальном времени под руководством планировщика (scheduler). Планировщик представляет собой программный продукт, разрабатываемый и поставляемый производителем аппаратуры. Назначение планировщика состоит в максимизации пропускной способности отдельных сот и сети в целом. Скорости, с которыми идет обмен данными между eNB и абонентскими терминалами, зависят от отношения сигнал/помеха на входах соответствующих приемников. Планировщик собирает данные о скоростях передачи, запрашиваемых различными UE, и решает, какие терминалы будут обслуживаться в каждом конкретном субкадре и с какими скоростями.

В каждом субкадре планировщик назначает приоритеты различным пользовательским каналам трафика, на основе которых идет выделение (или невыделение) канального ресурса конкретным абонентам. Основным алгоритмом работы планировщика является пропорционально-справедливый алгоритм.

. Приоритет m -го пользовательского канала для n -го субкадра рассчитывают по формуле

, (8.1)

где R_m(n) – скорость передачи данных, определяемая выбором модуляционно-кодирующей схемы в зависимости от отношения сигнал/помеха на входе соответствующего приемника,

T_m(n) – взвешенный объем ранее переданной информации по данному соединению. Значение T_m(n+1) для (n+1) -го субкадра определяют как

, если в субкадре n была передача,

, если в субкадре n не было передачи.

Величину t_c называют окном передачи: это длительность передачи, выраженная числом субкадров. Уменьшая t_c, можно повышать приоритет соединений, передаваемых в квазиреальном времени (потоковый трафик). Для соединений, которые не критичны к задержкам (t_c велико), планировщик выбирает для передачи те субкадры, в которых может быть обеспечена максимальная скорость R_m(n).

Если для всех соединений установлен большой t_c (в пределе ∞), то пропорционально-справедливый алгоритм максимизирует функцию.

, (8.2)

 

[1] ECM – EPS (Evolved Packet System) Connection Management

[2] ECM – EPS (Evolved Packet System) Connection Management

[3] Скремблирование применяют для рандомизации сигналов, передаваемых по различным каналам вверх и вниз. В LTE в качестве скремблирующих кодов используют коды Голда в виде суммы двух m-последовательностей [14].

[4] В многоантенных структурах можно использовать 2 разные MCS

[5] При применении многоантенных систем, UE может также управлять выбором кодирующей матрицы и рангом передачи (см. след. параграф).

[6] Возможны варианты совместного использования технологий пространственно-временного кодирования и мультиплексирования – тогда число передающих антенн больше числа независимых потоков данных.

[7] ASME – Access Security Management Entity.

[8] В [13] это задержка между PCEF и UE. Программное обеспечение, выполняющее функции поддержки, тарификации и учета услуг (PCEF – Policy and Charging Enforcement Function) обычно находится в шлюзе с точкой доступа к внешним IP-сетям.