LTE – БЕСПРОВОДНАЯ СВЯЗЬ ЧЕТВЕРТОГО ПОКОЛЕНИЯ
, магистр «РЭТ»
LTE рассматривается многими аналитиками как очередная большая волна в беспроводных технологиях 4-го поколения. С технической точки зрения LTE – это модуляционная техника, являющаяся самой последней вариацией GSM. Разработчики из 3GPP назвали ее Long Term Evolution, поскольку видели в ней естественное развитие технологии High-Speed Packet Access (HSPA), которая сегодня используется для предоставления 3G-связи.
Радиодоступ LTE, называемый Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN), существенно улучшает пропускную способность для конечных пользователей, емкость сектора и уменьшает задержки. С учетом того что IP стал общепринятым протоколом для всех типов трафика, LTE поддерживает IP-базированный трафик и QoS. Передача голоса осуществляется в основном как VoIP, обеспечивая лучшую интеграцию с другими мультимедийными сервисами.
В отличие от HSPA альянс 3GPP специфицировал новое ядро пакета сетевой архитектуры – Evolved Packet Core (EPC), чтобы поддержать E-UTRAN посредством уменьшения количества сетевых элементов, упрощения функциональности, улучшенной избыточности, но что наиболее важно – возможности связи и эстафетной передачи другим фиксированным и беспроводным сетям доступа.
LTE устанавливает агрессивные требования к производительности, которые опираются на технологии физического уровня, такие как OFDM и MIMO. Основные цели LTE заключаются в минимизации сложностей системы и пользовательского оборудования (UE), обеспечении гибкого развертывания спектра в уже применяемых или новых частотах и сосуществовании с другими радиотехнологиями доступа 3GPP.
Производительность: каковы цели LTE
E-UTRAN должен поддерживать различные типы трафика, включающие веб-просмотр, FTP, потоковое видео, VoIP, онлайн-игры, видео в режиме реального времени. Поэтому стандарт LTE разрабатывался с тем, чтобы обеспечить высокую скорость обмена данными и низкую системную латентность (таблица).
Ширина полосы пропускания для UE достигает 20 МГц на прием и передачу. Однако операторы могут разворачивать соты с любыми значениями, указанными в таблице, что предоставляет им определенную гибкость.
Спектральная эффективность в нисходящей линии связи (DL) в 3–4 раза больше, чем в HSDPA Rel. 6, тогда как в восходящей (UL) – в 2–3 раза выше, чем в HSUPA Rel. 6.
Особенности радиоинтерфейса
|
Рис. 1. Физические ресурсы нисходящего канала LTE, базированные на OFDM |
Передача в нисходящем канале связи базируется на общепринятой схеме мультиплексирования с разделением по ортогональным частотам (OFDM). Вспомним ее вкратце.
В системе OFDM имеющийся спектр делится на множество несущих, называемых поднесущими. Каждая из этих поднесущих независимо модулируется низкоскоростным потоком данных. Одно из преимуществ OFDM заключается в устойчивости к многолучевому замиранию и эффективности архитектуры приемника. Пример OFDM-сигнала полосой 5 МГц показан на рис. 1. Данные модулируются независимо и передаются с помощью большого числа близко расположенных ортогональных поднесущих. В нисходящем канале E-UTRAN могут использоваться схемы модуляции QPSK, 16QAM и 64QAM.
Для борьбы с внутрисимвольной интерференцией, вызываемой разбросом задержек в каналах, во временной области к каждому символу могут добавляться защитные интервалы. В E-UTRAN им является циклический префикс, который вставляется перед каждым OFDM-символом.
На практике OFDM-сигнал может генерироваться посредством обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ). Оно преобразует N комплексных символов в частотной области в сигналы во временной области.
Схема передачи в нисходящем канале
Базисный физический ресурс нисходящего канала LTE может быть представлен как частотно-временная решетка (рис. 2). В частотной области промежуток между поднесущими составляет 15 кГц.
OFDM-символы группируются в ресурсные блоки. Двенадцать поднесущих формируют один ресурсный блок. Полный его размер в частотной области составляет 180 кГц, а во временной – 0,5 мс. Один такой блок состоит из 84 ресурсных элементов (12 поднесущихЧ7 OFDM-символов). Каждый элемент несет 2 бита при схеме модуляции QPSK, 4 бита – 16QAM и 6 бит – 64QAM.
Схема OFDMA обеспечивает доступ многих пользователей к имеющейся полосе пропускания. В ней каждому из них распределяется некоторое количество ресурсных блоков в частотно-временной решетке. Чем больше этих блоков получит пользователь и чем эффективнее применяемая схема модуляции, тем выше скорость передачи битов.
Какие и насколько много ресурсных блоков получает пользователь в заданной точке, зависит от механизма усовершенствованного планирования в частотной и временной областях. В последней планирование ресурсов может модифицироваться каждую миллисекунду, что определяет два ресурсных блока, которые занимают в частотной области 180 кГц, а во временной – 1 мс.
Механизмы планирования в LTE подобны тем, которые используются в HSPA, и позволяют оптимизировать производительность различных сервисов в разных условиях радиосреды.
Схема передачи в восходящем канале
Если OFDMA представляется оптимальной схемой для удовлетворения требований LTE в нисходящем канале, то ее свойства не в такой степени пригодны для восходящего. Главным образом это из-за худшего отношения для OFDM-сигнала пиковой мощности к средней, что приводит к меньшему радиусу покрытия. Поэтому схема передачи LTE в восходящем канале базируется на FDMA с одной несущей (Single Carrier FDMA, SC-FDMA) с циклическим префиксом. Основной смысл выбора SC-FDMA заключался в лучшем отношении пиковой и средней мощности по сравнению с FDMA. Это достигается за счет группировки ресурсных блоков таким способом, который снижает требования к линейности и энергопотреблению усилителя мощности.
Организация дуплексной связи
В LTE могут использоваться дуплексные схемы с разделением как по частотам (FDD), так и по времени (TDD). В первом случае восходящий и нисходящий потоки размещаются в разных частотных каналах, тогда как во втором – только в одном, который разделяется во временной области восходящим и нисходящим потоками. Выпуски первых продуктов лидирующих поставщиков поддерживали обе схемы дуплекса. В общем, FDD является более эффективной и при одинаковой с TDD мощностью обеспечивает большее покрытие.
Заключение
LTE-сеть отвечает требованиям к сетям мобильной связи следуюшего поколения - как для существующих операторов 3GPP/3GPP2, так и для новых операторов. Данная технология позволит предоставлять более производительные услуги мобильного ШПД для очень большой аудитории, применяя комбинацию максимальных скоростей и большой пропускной мощности системы в любом направлении, причем с очень низким latency.
Инфраструктура LTE разработана так, что развертывание и эксплуатация будет более простой, с этой целью разработана более гибкая технология, способная работать в широком классе частотных диапазонов. LTE также имеет возможность масштабирования частотных диапазонов и поддерживает, как парные частотные диапазоны (для FDD), так и одиночные (для TDD). Архитектура LTE-SAE будет обеспечивать межсетевое взаимодействие с сетями GSM, WCDMA/HSPA, TD-SCDMA и CDMA.
В LTE-сети можно будет находиться не только с помощью мобильного телефона, но также с помощью компьютера, нетбука, ноутбука, , камеры, камкордера, и др. устройств, сориентированных на мобильный ШПД.
ЛИТЕРАТУРА
Г. Башилов. LTE: где-то — быстро, а где-то — медленно // «Журнал сетевых решений/Телеком». — 2011. — № 6. Радиоподсистемы UMTS/LTE Василий Григорьевич Скрынников, 2012г. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G Владимир Миронович Вишневский, 2009г.