LTE – беспроводная связь четвертого поколения

Рост популярности беспроводных технологий связи и обработки данных, появление новых мобильных приложений, таких как мультимедийные игры в онлайн-режиме, мобильное ТВ, Web 2.0, потоковый контент, послужили побудительным мотивом для 3rd Generation Partnership Project (3GPP) начать работу над стандартом мобильной связи 4-го поколения, который получил название Long Term Evolution (LTE).

Рис. 1. Частотно-временное представление OFDM-сигнала

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. 2. 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 поднесущих×7 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.

Функциональные элементы архитектуры системы

В данном разделе будут кратко описаны функциональные элементы архитектуры LTE. В целях однозначности их названия приведены на языке оригинала.

Evolved Radio Access Network (RAN). Этот элемент состоит из одного узла, т. е. eNodeB (eNB), который служит интерфейсом с UE. На нем работают уровни PHY, MAC, Radio Link Control (RLC) и Packet Data Control Protocol (PDCP), включающие сжатие и шифрование заголовка (плоскость пользователя). Узел также предоставляет функциональность Radio Resource Control (RRC), соответствующую управляющей плоскости. eNB выполняет много функций, в том числе управление радиоресурсами и доступом, планирование, информационное широковещание для сот, шифрование/дешифрование данных пользовательской и управляющей плоскостей и сжатие/распаковка заголовков пакетов DL/UL пользовательской плоскости.

Serving Gateway (SGW). Этот элемент занимается маршрутизацией и отправлением пакетов данных пользователя, в то же время действуя как мобильный якорь (узел, инициирующий эстафетную передачу) для пользовательской плоскости во время эстафетной передачи между узлами eNB и как якорь для перехода между LTE и другими 3GPP-технологиями. При холостом состояния пользовательского оборудования SGW терминирует данные DL и запускает персональный радиовызов, когда информация из DL прибывает в UE. Он также управляет и сохраняет контексты UE, например параметры службы передачи IP-пакетов «абонент–сеть», информацию о маршрутизации внутри сети. SGW также выполняет репликацию пользовательского трафика в случае законного прослушивания.

Mobility Management Entity (MME). Это ключевой управляющий узел для сетей доступа LTE. Он отвечает за холостой режим процедур отслеживания и персонального радиовызова UE, в том числе повторные передачи. MME участвует в процессе активации/деактивации однонаправленного канала и является также ответственным за выбор SGW для UE в момент начального подсоединения и во время внутренней эстафетной передачи, включая перебазирование узлов ядра сети. Он выполняет аутентификацию пользователя, генерирует и распределяет временные идентификаторы UE, обеспечивает мобильность между сетями доступа LTE и 2G/3G и ряд других специфических функций.

Packet Data Network Gateway (PDN GW). Шлюз обеспечивает связь UE с внешними пакетными сетями, являясь для нее точкой входа и выхода трафика. UE может одновременно подсоединяться более чем к одному PDN GW для доступа к нескольким PDN. В функции PDN GW входят обеспечение соблюдения политик, фильтрация пакетов для каждого пользователя, законное прослушивание и просмотр (скрининг) пакетов. Другая ключевая роль шлюза – служить якорем для мобильности между 3GPP- и не-3GPP-технологиями, в частности WiMAX.

Как видно, LTE-архитектура, называемая System Architecture Evolution (SAE), включает в пользовательском плане только два узла (eNB) и SWG, что обеспечивает гибкость сетевой конфигурации и высокий уровень доступности сервисов. Она взаимодействует с GSM, WCDMA/HSPA, TD-SCDMA и CDMA. Планируется, что LTE будет реализована не только в мобильных телефонах следующего поколения, но также и в ноутбуках, камерах, портативных видеокамерах и других устройствах с функциями мобильной широкополосности.