CC BY
521
От GERAN/UTRAN к LTE
Перспективы развития и эволюция технологий радиоинтерфейса
Наступит ли предел развития технологий сетей радиодоступа мобильной связи?
А. Голышко,
Технический эксперт АФК"Система"
НАБЛЮДАЯ эволюцию развития ТЕХНОЛОГИЙ СЕТЕЙ РАДИОДОСТУПА, ПОРАЖАЕШЬСЯ ГЕНИЮ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО РАЗУМА. КАЖДОЕ СЛЕДУЮЩЕЕ ПОКОЛЕНИЕ СЕТЕЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ ПРИНОСИТ ПРИНЦИПИАЛЬНО НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ, ЗНАЧИТЕЛЬНО РАСШИРЯЮЩИЕ СПЕКТРУСЛУГ КОНЕЧНЫМ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯМ. ЗНАЯ ПРОШЛЫЙ И ТЕКУЩИЙ УРОВЕНЬ РАЗВИТИЯ ЦИФРОВЫХ СЕТЕЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ И ПОТРЕБНОСТИ АБОНЕНТОВ ИНТЕРЕСНО ЗАГЛЯНУТЬ В БЛИЖАЙШЕЕ БУДУЩЕЕ И ПОНЯТЬ, ЧТО НАС ОЖИДАЕТ.
Анализ развития технологий сетей радиодоступа мобильной связи
Первое поколение цифровых сетей мобильной связи GSM (второе после аналоговых) создавалось с учетом оказания основной услуги
— речевой. Так как речевой трафик считается симметричным, то за основу построения сетей радиодоступа был выбран метод частотного дуплекса FDD. Простая интеграция с телефонными сетями общего пользования PLMN, обеспечивающая высокие темпы развертывания сетей GSM в мире, потребовала от разработчиков реализации широко используемого принципа коммутации каналов CS (Circuit Switching) и системы сигнализации SS7. Развитие дополнительных услуг связи инициировало другие асимметричные типы трафика: потоковый, фоновый и в некоторых случаях интерактивный. Кроме того, гигантские темпы развития и эффективность сети Интернет показали высокую актуальность построения сетей по принципу коммутации пакетов PS (Packet Switching). В связи с этим современные сети мобильной связи поддерживают метод временного дуплекса TDD, их развитие строится с учетом концепции "все по IP".
С учетом модели взаимодействия открытых систем OSI [1] наиболее интересно рассмотреть протоколы физического и канального уровней (уровни 1,2), которые являются наиболее важными для радиоинтерфейса. Эти протоколы определяют характеристики так называемого канала связи (передатчик/модулятор — линия связи — приемник/демодулятор). Непрерывное улучшение характеристик канала связи
связано с развитием используемых в нем технологий:
• преобразования первичной информации в двоичную последовательность (кодеры и вокодеры);
• повышения помехоустойчивости и эффективности (помехоустойчивого кодирования и декодирования данных; перемежения; расширения спектра; пространственно-временной и поляризационной обработки; пространственно-временного кодирования и т.д);
• модуляции и структуры сигнала;
• разделения каналов и многостанционного доступа;
• управления параметрами излучаемого сигнала (например, мощностью, несущей частотой), приемо-передающими антенными системами (например, диаграммой направленности);
• оптимального приема и демодуляции и др.
Отличительной особенностью сетей GSM
является:
• использование узкополосного сигнала с MSK — модуляцией с полосой 200 кГц и хорошими спектральными и корреляционными характеристиками, обусловленными выбором минимального индекса частотной модуляции и АЧХ сглаживающего фильтра на передающей стороне;
• жесткое распределение радиоресурсов сети между абонентами в режиме TDM;
• использование каскадного помехоустойчивого кодирования (внешний код — блоковый систематический циклический, внутренний — сверточный);
• построение подсистемы коммутации с уче-
том требований к использованию каналов TDM и сигнализации SS7.
Дальнейшее развитие сети GSM в направлении повышения скорости передачи пакетов данных GPRS (до 384 кбит/c) привело к созданию технологии EDGE. В ней повышение скорости передачи данных в три раза достигалось за счет перехода от бинарной манипуляции MSK к многопозиционной 8PSK. Однако, такое увеличение ансамбля сигналов (как и любое другое) привело к некоторому ухудшению помехоустойчивости и чувствительности. Другой отличительной особенностью технологии EDGE является реализация метода "повышающейся избыточности" при помехоустойчивом кодировании, суть которого заключается в повышении пиковой скорости передачи данных за счет возможного уменьшения избыточности кодов при адаптации (изменении мощности кодов) к качеству каналов связи.
Принципиально новым этапом развития мобильной связи является разработка и внедрение сетей UMTS, позволяющих обеспечить пиковую скорость передачи данных до 2,048 Мбит/c. Главным отличием сети UMTS от GSM/EDGE/GPRS стало использование широкополосных сигналов (ШПС) с полосой 5 МГц и базой сигнала много больше единицы (B >> 1). В сетях WCDMA/UMTS используются последовательные ШПС — DS-CDMA (Direct Sequence).
Расширение базы сигнала осуществляется путем ведения частотной избыточности, которая и предает радиосигналу UMTS определенные положительные свойства: высокую помехоустойчивость, устойчивость к воздействию мно-голучовости (при условии, что разница задержек распространения радиоволн различных направлений распространения больше чем длительность одного элемента сигнала UMTS — Тэ). Кроме того, использование широкополосных сигналов позволило реализовать новый метод разделения каналов в сети — кодовый CDM.
Важная особенность алгоритма доступа, используемого UMTS для кодового разделения каналов CDMA заключается в его чувствительности к мощности принимаемых радиосигналов. Поэтому в UMTS реализовано быстрое управление мощностью излучения. Другими особенностями UMTS являются [1]:
• гибкое распределение радиоресурсов сети радиодоступа UTRAN;
• управление качеством услуг в цепочке "конечный пользователь — конечный пользователь" QoS Bearer Service;
• увеличение эффективности использования физической среды передачи путем введения
нового типа каналов — транспортных;
• оптимизация трафика опорной сети Core Network путем внедрения медиашлюзов MGW и SoftSwitch и максимальное расширение использования в сети протокола IP;
• широкое разнообразие адаптивных речевых кодеков (AMR-NB, AMR-WB, AMR-WB+);
• конвергенция с сетями фиксированной связи (использование SS7 поверх MTP3 или Sigtran);
• возможность реализации VoIP
Дальнейшее развитие UMTS в целях повышения скоростей передачи данных и минимизации задержек передачи данных при использовании протоколов плоскостей пользователя и управления (User-plane, Control-plane) определило разработку технологий HSPA (HSDPA/HSUPA), в которых нашли свое применение многопозиционные сигналы с квадратурной амплитудной манипуляцией 16QAM, 64QAM. Особое внимание в этих технологиях в целях минимизации указанных задержек уделено модернизации прокола доступа к физической среде передачи MAC.
Технический бум вызванный использованием сигнала OFDM в беспроводных сетях передачи данных WiFi/WiMAX не обошел стороной и сети сотовой связи. Начавшийся путь разработки технологии HSOPA (High Speed OFDM Packet Access) вылился в концепцию длительной эволюции LTE (Long Term Evolution) системы UMTS.
Совершенствование технологий сетей радиодоступа UTRAN/HSPA в направлении LTE
Началом работы 3GPP — Партнерского проекта по сетям третьего поколения над дальнейшим развитием этих сетей считается семинар по эволюции RAN, проведенный 2-3 ноября 2004 г. в Торонто (Канада). Основными целями и задачами работ по дальнейшему развитию UMTS стали:
• снижение себестоимости на бит информации;
• увеличение количества услуг с ориентацией на требования абонентов;
• повышение гибкости использования имеющихся и новых частотных диапазонов;
• упрощение архитектуры, открытости интерфейсов;
• улучшение рационального потребления энергии абонентскими терминалами.
• обеспечение единых параметров стандартизации и исключение излишних опций.
Таким образом, главными целями эволюции систем 3G к технологии Evolved UTRAN
(E-UTRAN) является дальнейшее улучшение качества предоставления услуг и уменьшение расходов пользователей, а также и эксплуатационных расходов операторов.
Особенности радиоинтерфейса LTE в линии "вниз" (Downlink)
Радиоинтерфейс LTE поддерживает оба метода дуплексного разделения каналов: частотный FDD и временной TDD [2-4]. 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 (Multiple Input Multiple Output). Основная конфигурация технологии MIMO предполагает использование двух передающих и двух приемных антенн базовой станции и мобильного терминала. Максимально предполагается использовать четыре передающих антенны 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 [2]:
• 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)
— общий физический канал управления.
Связь транспортных и физических каналов показана на рис. 1. 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. 1: Связь транспортных и физических каналов в линии "вниз" E-UTRA
Как видно из рис. 1, развитие сетей LTE направлено на максимальное, где возможно, упрощение протоколов обмена информацией. Помимо модуляции OFDM/QAM в каналах линии "вниз" сети E-UTRAN предполагается использование перспективной модуляции OFDM/OQAM.
Модуляция OFDM/QAM в линии "вниз". Технология ортогонального частотного мультиплексирования OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) основана на формировании многочастотного сигнала, состоящего из множества поднесущих частот, отличающихся
W -®„- '
на величину д :
2п
-И,выбранную из
условия ортогональности сигналов на соседних поднесущих колебаниях (юп — радиальная частота п-го поднесущего колебания).
При формировании OFDM-сигнала поток последовательных информационных символов длительностью Ти/Ы разбивается на блоки, содержащие N символов. Далее блок последовательных информационных символов преобразуется в параллельный, в котором каждый из символов соответствует определенной подне-сущей многочастотного сигнала. Причем при этом длительность символов увеличивается в N раз. Таким образом, суммарная ширина спектра многочастотного сигнала соответствует ширине спектра исходного последовательного сигнала.
Целью такого преобразования является защита от узкополосных помех (либо от частичных искажений спектра в результате переотражений и многолучевого распространения). Это достигается тем, что параллельные символы многочастотного сигнала представляют собой кодовое слово помехоустойчивого кода (например, кода Рида-Соломона), который позволяет их восстановить в случае ошибочного приема за счет искажений спектра. Частотно-временное представление OFDM-сигнала представлено на рис. 2. Преобразование сигнала из временной в частотную область обеспечивается дискретным преобразованием Фурье (DFT — Discrete Fourier Transform).
Кроме того, преимущество OFDM заключается в уменьшении необходимого количества временных защитных интервалов. При последовательном сигнале защитные интервалы добавляются между каждыми символами, а при многочастотном — между группами символов (OFDM-символами).
Особенностью сигналов OFDM является:
1. Мультиплексирование несущих колебаний (называемых поднесущими), модулированных информационными символами по выбранному закону (QPSK, 16QAM, 64QAM);
2. Поднесущие ортогональны (взаимная корреляционная функция равна нулю), или, по крайней мере, квазиортогональны! (на практике);
3. Каждый OFDM-символ имеет защитный временной интервал для исключения межсим-вольной интерференции. Этот защитный интервал выбирается с учетом импульсной характеристики линии связи (физической среды распространения радиосигнала).
Принцип формирования OFDM-сигнала показан на рис. 3.
На практике при формировании OFDM-сигнала используется обратное дискретное быстрое преобразование Фурье ( Inverse Fast Fourier Transform — IFFT) на N точек (рис. 4). Это значительно упрощает практическую реализацию приемопередающего устройства OFDM.
На рис. 4 под a (mN + n) обозначен модулированный символ n-го частотного подканала длительностью Tu в интервале времени mTu < t < (m + 1)Tu. Вектор sm на выходе IFFT представляет собой OFDM-символ. Схема формирования OFDM-символа в передатчике базовой станции сети E-UTRAN показана на рис. 5.
Схема формирования OFDM-сигналов в режиме TDD использует циклические префиксы CP (Cyclic-Prefix) для борьбы с межсимвольной интерференцией с длительностью TCP ~4,7/ 16,7 мкс (при разнесении поднесущих на 15 кГц). Временные отрезки (кадры длительностью 10 мс) состоят из 20 подкадров одинаковой длительности Tsul>frame = 0,5 мс. Параметры сигналов OFDM линии "вниз" в режиме TDD приведены в таблице 1 [1].
Перспективная модуляция OFDM/OQAM в линии "вниз". Модуляция OFDM/OQAM, в отличие от уже ставшей традиционной модуляции OFDM, не требует наличия защитных интервалов (циклических префиксов). Квадратурная амплитудная манипуляция со сдвигом Offset QAM (OQAM) значительно повышает эффективность использования спектра за счет уменьшения интерференционных межсимвольных помех, уплотнения сигнала по времени (рис. 6).
При формировании сигнала OFDM/ OQAM символы QAM (с ) разделяются на две комплексные составляющие: вещественную
часть Re{cmn} = amnи мнимую Im{cmn}= bmn, Фи-чем мнимая часть сдвигается во времени на величину T/2 относительно вещественной.
Классический OFDM-сигнал записывается в виде выражения (без учета циклических префиксов):
«=+<» m=Nu -1 s(t) =Ё Ё
Cmne2Km Af‘g(t
Рис. 2: Частотно-временное представление СГРМ-сигнала при ширине спектра 5 МГц
Скорость манипуляции = 1/Го символов/сек
J*>N-1'
Рис. 3: Принцип формирования OFDM-сигнала
Рис. 4: Использование преобразования IFFT при формировании OFDM-сигнала
Скорость QAM-символов =
NITU символ/сек
Данные
QAM
модулятор
1N
IFFT
W:1
^ OFDM символы
Рис. 5: Схема формирования ОРРМ-символа в передатчике базовой станции сети Е-ШТРАЫ
[1, при пТи < / < (п +1) Ти
где
0, вне интервала
— прямоугольный видеоимпульс.
Формирование сигнала OFDM/OQAM при разложении cmn на комплексные составляющие может быть представлено выражением:
n=+™ m=Nu -1
= X X amnjmeJ 2Пт AftSi t - nTu) +
n=-œ m=0
+jbmnjmeJ 2nm Aftg (t + TJ 2 - nTU) = n=+~ m= Nu -1
= X X amnjmej2nm Aftg (t - nTu )+
n=—» m=0
+bmnjm+leJ2nm Aftg(t + TJ2- nTU). Выражение (2) можно упростить
Nu -1
s(t ) = XX dj nej2nm Af t3( t - nTo) =
n m =0
Nu -1
= X X dm,n^m,n (t), T0 = Tul2 (3)
n m=0
где
• d = a или b в зависимости от значе-
m,n m,n m,n
ния n;
• j m+n определяет тип слагаемого: real (если m+n четное) или imaginer (если m+n нечетное);
• ^т,п (t) — фильтрующая функция IOTA (Isotropie Orthogonal Transfer Algorithm), обеспечивающая ортогональность поднесущих в OFDM-символе, а также OFDM-символов.
Для функции 3m n (t) справедливо выражение
Важным отличием OFDM/OQAM и классической OFDM является то, что скорость переда-
чи сигнальных символов удваивается (т0 = Tu /2). Схема формирования сигнала OFDM/ OQAM в передатчике базовой станции сети E-UTRAN показана на рис. 7.
В схеме, приведенной на рис. 7, модулятор генерирует N вещественных символов (leal) To = Tu /2. Затем (до преобразования IFFT) они мультиплексируются с учетом составляющей im+n, которая при четном m+n является вещественной, при не четном — мнимой (при этом могут быть как положительными, так и отрицательными). На рис. 8 показана частотно-временная матрица комплексных сигналов OFDM/ OQAM и OFDM/QAM.
Важным отличием OFDM/OQAM от классического сигнала OFDM является использование многофазной фильтрации (фильтрующая функция IOTA — g) после преобразования IFFT, исключающей использование циклических префиксов. Алгоритм функционирования передатчика и приемника сигналов OFDM/OQAM представлен на рис. 9.
Одним из упрощенных вариантов многофазной фильтрации (функции IOTA), обеспечивающей ортогональность сигналов, является гауссовская функция во временной и частотной области.
Благодаря функции IOTA происходит локализация спектра (получается более крутой спад по сравнению с классическим OFDM), в реТаблица 1
Параметры сигнала OFDM/OQAM линии "вниз"
Параметры сигнала 0FDM/0QAM линии «вниз»
Полоса сигнала BW 1.25 МГц 2.5 МГц 5 МГц 10 МГц 15 МГц 20 МГц
Длительность подкадра 0. 5 мс
Частотное разнесение поднесущих 15 кГц
Частота дискретизации (тактовая частота) 1.92 МГц (1/2 ж 3.84 МГц) 3.84 МГц 7.68 МГц (2 ж 3.84 МГц) 15.36 МГц (4 X 3.84 МГц) 23.04 МГц (6 X 3.84 МГц) 30.72 МГц (8 X 3.84 МГц)
Размер преобразования FFT 128 256 512 1024 1536 2048
Количество поднесущих 76 151 301 601 901 1201
Количество 0FDM символов в подкадре (Short/Long СР) 7/6
Длина СР Корот-(мкс/samples*) кий (4.69/9) X 6, (4.69/18) X 6, (4.69/36) X 6, (4.69/72) X 6, (4.69/108) X 6, (4.69/144) X 6,
(5.21/10) X 1* (5.21/20) X 1 (5.21/40) X 1 (5.21/80) X 1 (5.21/120) х1 (5.21/160) х1
Длин- ный (16.67/32) (16.67/64) (16.67/128) (16.67/256) (16.67/384) (16.67/512)
* FFT размер = сэмпл ("samples" или выборка, для OFDM равна размеру преобразования Фурье)
f 4
Рис. 6. Преимущество технологии OFDM/OQAM по отношению к OFDM/QAM
Рис. 7: Схема формирования сигнала OFDM/OQAM в передатчике базовой станции сети E-UTRAN
зультате чего уменьшаются интерференционные и внутрисистемные помехи в сети. На рис. 10 приведено сравнение спектров сигналов OFDM/OQAM и OFDM с шириной спектра 5 МГц (512 точек преобразования Фурье, 300 поднесущих).
Параметры сигналов OFDM/OQAM с разнесение поднесущих на 15 кГц подобны параметрам OFDM.
Особенности радиоинтерфейса LTE
в линии "вверх" (Uplink)
Особенностью линии "вниз" сети E-UTRAN является использование технологии множест-
венного доступа SC-FDMA (Single Carrier — Frequency Division Multiple Access) c одной несущей частотой и средней мощностью передачи PAPR (Peak-to-Average Power Ratio). Исключение взаимного влияния пользователей достигается введением циклических префиксов и использованием эффективных эквалайзеров в приемньх устройствах. Интервал времени передачи TTI в линии "вверх" сети E-UTRAN соответствует TTI в линии "вниз" и равен 0,5 мс. Возможно использование увеличенного TTI для специальных типов соединений (услуг). Основная конфигурация антенн линии "вверх" при использовании MIMO предполагает использова-
/&\ О О
А /X /\
0FDM/QAM символ
А
комплексный
OFDM/OQAM символ
О вещественная часть К мнимая часть
Рис. 8: Частотно-временная матрица сигналов OFDM/OQAM и OFDM/OQAM
ние двух передающих антенн на мобильном терминале и двух приемньх антенн на базовой станции.
В процессе модуляции OFDM в технологии множественного доступа SC-FDMA используется дискретное преобразование Фурье DFT (рис. 11).
При формировании группового сигнала в линии "вверх" для каждого терминала решается, какая часть поднесущих используется (заполняется данными), а какая нет (заполняется "нулями") (см. рис. 12). Между каждыми выходами дискретного Фурье вставляется L-1 нулевых символов.
Рис. 9: Алгоритм функционирования передатчика и приемника сигналов OFDM/OQAM
При последовательном распределении поднесущих L=1 (рис. 12, слева), т. е. между сигналами с выхода преобразователя DFT не вставляются нулевые поднесущие (L-1=0). При смешанном распределении (рис. 15, справа) L>1.
Линия "вверх" E-UTRAN подразумевает использование следующих физических каналов:
• PRACH (Physical random access channel) — физический канал произвольного (случайного) доступа;
• PUCCH (Physical uplink control channel) — физический канал управления линии "вверх";
• PUSCH (Physical uplink shared channels) — физический распределенный транспортный канал линии "вверх".
Связь транспортных и физических каналов показана на рис. 13. В настоящее время в E-UTRAN для LTE определено два транспортных канала линии "верх":
• RACH (Random Access Channel) — канал случайного доступа;
• UL-SCH (Uplink Shared Channel) — распределенный канал линии "вниз".
Параметры функционирования радиоинтерфейсов LTE
Для управления качеством в сетях LTE используются два пересекающихся множества, состоящих из параметров качества функционирования сети (Network Perfomances) и параметров качества услуг (Quality of Service). Каждому соединению в сети LTE и радиоинтерфейсах E-UTRAN должно соответствовать некое множество согласованных параметров функционирования сети, связывающих воедино все аспекты QoS, такие как скорость передачи данных, задержка пакетов, джитер, относительное число ошибочно принятых пакетов и доступность сети.
Пиковая (максимальная) скорость передачи данных Peak Data Rales. Значения пиковой скорости передачи данных в линиях "вверх" и "вниз" приведены в таблице 2.
При расчетах пиковой скорости передачи данных учитывалась кадровая структура линий "вверх" и "вниз" (циклические префиксы, временные и частотные защитные интервалы, контрольные символы), виды модуляции и помехоустойчивого кодирования. Кроме того, учитывались служебные заголовки протоколов физического и канального уровней (L1/L2 — сообщения планирования передачи информации, протокола повторной передачи HARQ, сообщения АТ об измеренном качестве канала CQI).
В табл. 2 приведены пиковые значения скорости передачи данных в линиях "вниз" и "вверх" в условиях благоприятной помеховой обстановки (C/I > 20 дБ), когда можно исполь-
Частота. МГц
Рис. 10: Сравнение спектральных плотностей сигналов ОРРМ/ООАМ и классического ОРРМ
Рис 11: Структурная схема передающего устройства при множественном доступе БС-РРМЛ в технологии E-UTRAN
Рис. 12: Методы формирования поднесущих OFDM-сигнала: последовательный (слева) и смешанный (справа)
Рис. 13: Связь транспортных и физических каналов в линии "вверх" E-UTRAN
Пиковая скорость передачи данных технологии E-UTRA
Таблица 2
Линия «вниз» Линия «вверх»
Условия 2 ТХ MIMO, 64 QAM, R=1 10 % сигнала - служебная информация Один ТХ, 16QAM, R=1 14 % сигнала - служебная информация
Единица измерения Мбит/с в полосе 20 МГц Бит/с/Г ц Мбит/с в полосе 20 МГц Бит/с/Г ц
Значение 100 5.0 50 2.5
С учетом служебной информации (циклических префиксов, защитных интервалов во времени и на частоте, контрольные символы) 182 9.1 57 2.9
С учетом заголовков протоколов 1.1/1.2 и 29 % служебной информации системы 144 7.2 48 2.4
Таблица 3
Спектральная эффективность в линии "вниз"
Абсолютное значение, Бит/с/Гц
Средняя спектральная эффективность до 2.6 (2x2 MIMO)
Средняя спектральная эффективность на одного пользователя в соте (точка 5 % на интегральной функции распределения СОР пользовательской пропускной способности) до 0.27
Таблица 4
Спектральная эффективность в линии "вверх"
Абсолютное значение, Бит/с/Гц
Средняя спектральная эффективность до 0.9
Средняя спектральная эффективность на одного пользователя в соте (точка 5 % на интегральной функции распределения СЭР пользовательской пропускной способности) до 0.15
зовать многопозиционные виды модуляции 16QAM, 64QAM. Ухудшение отношения C/I приводит к уменьшению скорости передачи (рис. 14 — для линии "вниз", 15 — для линии "вверх";).
Как показано на рис. 14 скорость передачи данных зависит от характеристик помехоустойчивости алгоритма приема и обработки сигнала. На рисунке обозначено:
• MMSE (Minimum Mean Squared Error) —
линейное детектирование сигналов MIMO по критерию минимума среднеквадратической ошибки;
• QRM-MLD c использованием ASESS (Adaptive Selection of the Surviving Symbol Replica Candidates) — адаптивное нелинейное детектирование QRM (QR decomposition and the M-algorithm) сигналов MIMO по критерию максимума функционала правдоподобия MLD (Maximum Likelihood Detection).
Зная требуемое отношение сигнал/шум и мощность передачи можно определить возможные скорости передачи данных на разных удалениях от базовой станции.
Спектральная эффективность. Улучшенные параметры спектральной эффективности для E-UTRAN приведены в таблице 3 и 4 (для абонентов с низкой мобильностью и частоты радиосигнала в области 2 ГГц).
Задержки передачи пакетов для протоколов плоскости пользователя (User Plane Latency). Обеспечение низких задержек передачи данных важно для услуг в реальном масштабе времени будущих сетей сотовой связи, функционирующих по принципу коммутации пакетов
(TCP/IP).
Задержки передачи пакетов для протоколов плоскости пользователя определяются как время передачи пакета данных пользователя с IP-уровня одного узла сети (мобильного терминала, шлюза GW) на IP-уровень другого узла сети. Время передачи пакетов данных пользователя с одного узла сети на другой включает различные типы задержек, приведенные в табл. 5. Средняя суммарная задержка передачи паке-
Рис. 14. Зависимость скорости передачи данных от отношения сигнал-шум в линии "вниз" (полоса сигнала 20 МГц, мобильность абонента до 3 км/ч)
Источник: ЕТБ!
Рис. 15: Зависимость скорости передачи данных от отношения сигнал-шум в линии "вверх" (полоса сигнала 20 МГц, мобильность абонента до 3 км/ч) Источник: ЕТБ!
Таблица 5
Оценка задержек протоколов плоскости пользователя
Этап Описание Значение
0 Активизация терминала Не учитывается
1 Время обработки задания процессором терминала 1 мс
2 Время цикловой синхронизации 0.25 мс
3 Длительность подкадра 0.5 мс
4 Задержки алгоритма ретрансляции НАРО 0.3*2.5 мс
5 Время обработки задания процессором базовой станции 1 мс
6 Время передачи пакета данных между базовой станцией и шлюзом сети С\Л/ Ts1u(1 мс-15мс)
7 Время обработки задания процессором шлюза 0.5 мс
Общая задержка 4 мс + Ts1u
тов для протоколов плоскости пользователя при передаче данных для E-UTRAN равна 4,0 мс (включая задержку передачи между базовой станцией и шлюзом сети). Возможность сокращения этой задержки до величины 1,0 мс является целью проекта создания радиоинтерфейса будущего в рамках проекта WINNER.
Временная структура сигналов E-UTRAN в режиме TDD
Во временной области физический уровень радиоинтерфейса E-UTRAN имеет кадровую структуру, состоящую из подкадров (sub-кадров) длительностью 0,5 мс. Один радиокадр содержит 20 sub-кадров. Временная кадровая структура сигналов E-UTRAN в режиме TDD приведена на рис. 16.
В режиме временного дуплекса TDD подкад-ры распределяются между линиями "вверх" и "вниз" с учетом различных типов пользователь-
ского трафика. Подкадры линий "вверх" и "вниз" состоят из целого количества сигнальных символов (некоторые из которых могут использоваться для определения временных задержек распространения радиосигналов). Структура подкадров внутри кадра может изменяться от подкадра к подкадру, адаптируясь к различным профилям трафика и требованиям к задержкам.
В линии "вниз" подкадры содержат сигналы синхронизации и системную информацию. Значительное упрощение абонентского терминала достигается за счет аналогичности структур сигналов синхронизации и системной информации в различных режимах TDD и FDD.
Как видно из рис. 16 радиокадры E-UTRAN имеют одну точка переключения sub-кадров из линии "вниз" в линию "вверх" DUSP (Switching point from downlink to uplink). Различные варианты TDD в технологии, используемой в E-UTRAN, предполагают так же использование и другой
точки переключения — точки переключения sub-кадров из линии "вверх" в линию "вниз" UDSP (Switching point from uplink to downlink).
Выводы
Не успев внедриться на телекоммуникационный рынок России технологии HSPA( HSDPA и HSUPA) уже морально устарели и развертывание российскими операторами сетей UMTS на основе Release 5 не спасает эти сети от неизбежной и скорой замены новой технологией LTE.
Основной проблемой при развертывании сетей на основе технологий LTE станет ее стоимость и совместимость с сетями предыдущих поколений. Переход от сетей построенных на основе технологий HSPA+ на системы LTE подразумевает под собой не усовершенствование существующей инфраструктуры сетей UMTS, а замену или ее значительной части, или всей сетевой инфраструктуры.
С другой стороны внедрение LTE позволит операторам сетей UMTS удержаться в лидерах быстроменяющегося телекоммуникационного рынка, основными тенденциями которого являются конвергенция сетей фиксированной и подвижной связи (Fixed Mobile Convergence — FMC) и персонификация услуг для абонентов( индивидуальное управление услугами).
Анализ развития технологий LTE и оценка возможности их своевременного внедрения на сетях IMT-2000/UMTS должны стать долгосрочной политикой российских операторов "большой тройки", так как разработка необходимых технических спецификаций LTE будет завершена в ETSI/3GPP к 2009 г., а к 20112012 годам в Европе появятся первые сети на базе технологии LTE.
Литература
1. Тихвинский В. О., Терентьев С.В. Управление и качество услуг в сетях GPRS/UMTS. — М.: Эко-Трендз, 2007. — 400 с.
2. 3GPPTR 25.814 Physical layer aspects for evolved Universal Terrestrial Radio Access (UTRA), Release 7, V7.1.0, 2006.
3. 3GPP TR 25.813 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Radio interface protocol aspects, Release 7, V7.1.0, 2006.
4. 3GPP TR 25.913 Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (E-UTRAN), Release 7, V7.3.0, 2006.
T-
- idle period (IP)
Рис. 16: Временная структура E-UTRAN в режиме TDD
