О технических нововведениях, реализованных в технологии мобильной связи LTE
24 февраля 2010
Рубрика: Связь и телекоммуникации.
Автор: Абдукадыров А.Х..

lte_24_02_2010

В предыдущей статье была дана общая ознакомительная информация о технологии LTE, которая является одним из главных претендентов на звание систем мобильной связи четвертого поколения – 4G. Сегодня мы подробнее коснемся технических аспектов данной технологии.

Не улеглись еще толком страсти вокруг сетей и услуг 3G, как телекоммуникационный люд уже все чаще заговаривает о сетях четвертого поколения и все больше не о чем-то «абстрактном», вроде адронного коллайдера, а уже о чем-то близком и обозримом. Ну а в действительности же, пожалуй, еще рано говорить о закате сетей третьего поколения, и, наверное, будет разумно предположить, что они еще послужат человечеству лет 5-10. В подтверждение этому отметим, что технологии 3G не стоят на месте и продолжают развиваться. В частности, большую популярность обретают такие разработки, как технология высокоскоростной пакетной передачи данных (от англ. High Speed Packet Access — HSPA), получившая громкое название «мобильных систем поколения 3,5G (3,75G)». Название HSPA, на самом деле, является объединяющим для двух технологий — HSDPA и HSUPA, представляющих собой разработки для повышения скоростей передачи данных в нисходящей и восходящей линиях мобильных систем связи третьего поколения, соответственно. Эти разработки получили статус Релиза 6 Программы партнерства для развития сетей 3G (3GPP). Теоретически достижимые скорости передачи данных в этих технологиях составляют 14 Мбит/c в HSDPA и 7 Мбит/с в HSUPA. Казалось бы, по сравнению с максимумом в сетях 3G в 2 Мбит/с это огромный прорыв. Но на поверку оказалось, что даже с такими характеристиками можно будет удовлетворять потребности рынка совсем не долго, и поэтому появилась задумка о создании мобильной системы для долгосрочного развития (от англ. Long Term Evolution — LTE). В чем же перспективность этой технологии с точки зрения внесенных в нее технических нововведений, мы попытаемся разобраться в данной статье.

В отличие от технологии HSPA, которая построена на архитектуре систем UMTS, для систем LTE проект 3GPP определил новую архитектуру опорной сети передачи данных, получившей название «Развитой опорной сети» (от англ. Evolved Packet Core -EPC). Сеть EPC будет поддерживать работу сети радиодоступа (E-UTRAN) через сокращение числа сетевых элементов, упрощение их функциональности, улучшенное резервирование, но, что самое важное, она будет обеспечивать взаимодействие и «хэндовер» с другими проводными и беспроводными технологиями, предоставляя сервис-провайдерам возможность плавного внедрения услуг «непрерывной мобильности». Подсистема, поддерживающая работу сети EPC, получила название EPS (от англ. Evolved Packet Subsystem).

Перед стандартом LTE поставлены высокие требования по функциональности, которые основываются на использовании таких технологий физического уровня, как ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM), системы с множественным приемом — множественной передачей (MIMO) и «интеллектуальные» антенны. В качестве главных целей разработки стандарта LTE определены следующие:

• упрощение инфраструктурного и абонентского оборудования;
• гибкое освоение радиочастот как в существующих, так и в новых диапазонах частот;
• сосуществование и взаимодействие с другими технологиями радиодоступа семейства 3GPP, а впоследствии и 3GPP2.

Требования к функциональности систем LTE
Предполагается, что E-UTRAN будет поддерживать различные виды сервисов, включая работу в сети интернет, обмен FTP-файлами, видеосвязь, голос по протоколу IP (VoIP), сетевые игры, «живое» видео, услуги «push-to-talk» и «push-to-view». Поэтому абонентские устройства LTE должны будут поддерживать достаточно высокие скорости передачи данных и малое время задержки отклика в качестве основных критериев функциональности, как обозначено в таблице 1.

lte_24_02_2010_1

Максимальная ширина полосы пропускания абонентского устройства (АУ), как ожидается, будет равна 20 MГц как для передачи, так и для приема. При этом провайдеры услуг могут выбирать любую из перечисленных в табл. 1 значений полосы пропускания, что дает им гибкость в предложении услуг абонентам в соответствии с имеющимся у них радиочастотным ресурсом. Провайдеры также получают возможность постепенного наращивания своего бизнеса при увеличении со временем доступного ресурса радиочастот.

Кроме вышеуказанных, перед стандартом LTE ставится требование по сокращению общей стоимости системы и потребляемой ею мощности, а также по поддержке обратной совместимости и эффективной миграции от систем UMTS. Улучшенная услуга «мультикаст», усовершенствованная поддержка непрерывного качества обслуживания (QoS), а также сокращение числа опций и функций резервирования в архитектуре сети также являются требованиями к стандарту LTE.

Спектральная эффективность систем LTE в направлении «вниз» будет в 3-4 раза выше, чем в технологии HSDPA, а в направлении «вверх» — в 2-3 раза выше, чем в технологии HSUPA. Процедура «хэндовера» в LTE должна быть короче во времени, чем в сетях с коммутацией каналов в сотовых системах второго поколения. Кроме этого, «хэндовер» между системой LTE и сетями 2G/3G должен быть непрерывным.

Основные компоненты архитектуры сети LTE/SAE
Структурно архитектуру сети LTE/SAE можно разделить на два уровня: опорная сеть (CN) и сеть радиодоступа (RAN).

Усовершенствованная сеть радиодоступа (E-UTRAN) применительно к сетям LTE/SAE отвечает, в частности, за осуществление нисходящего соединения, кодирование данных, маршрутизацию и пересылку пакетов.

Опорная сеть (EPC) в функциональном отношении включает в себя три ключевых компонента:
• Модуль управления мобильностью (Mobility Management Entity, MME) — обеспечивает хранение служебной информации об абоненте и управление ею, генерацию временных идентификационных данных, авторизацию терминальных устройств в наземных сетях мобильной связи и общее управление мобильностью.
• Служебный шлюз (Serving Gateway, SGW) — играет роль шлюза между сетями 2G/3G и LTE.
• Шлюз сети пакетных данных (Packet Data Network Gateway, PDN GW) — выполняет функции, аналогичные с SGW, но служит для поддержки непрерывности сервиса при перемещении абонента между сетями, соответствующими и не соответствующими спецификациям 3GPP (I-WLAN и т.п.).

Последние два компонента представляют собой совершенно новые элементы архитектуры опорной сети мобильной связи и обязаны своим появлением упомянутому выше требованию поддержки мобильности при перемещении абонента между сетями разных типов. Функциональные элементы сети можно физически сов-мещать либо распределять по сети — все зависит от особенностей применяемых продуктов и самой сети. Например, модули MME и SGW могут быть совмещены либо находиться в разных узлах сети.

C целью упрощения структуры систем LTE в настоящее время согласована архитектура сети, приведенная на рисунке 1.

lte_24_02_2010_2

Усовершенствованная сеть радиодоступа (E-UTRAN)
Сеть E-UTRAN состоит из единого узлового уровня, т.е. узла уровня NodeB (eNB), который связывается с абонентским устройством (АУ) с помощью интерфейса LTE-Ub. Узел eNB поддерживает протоколы следующих уровней: физического (PHY), управления доступом к среде (МАС), управления радиоканалом (RLC) и управления пакетными данными (PDCP), которые выполняют функции сжатия заголовка и кодирования на абонентской плоскости.

Также узел eNB выполняет функции управления радиоресурсом (RRC), управления доступом, планирования сети, обеспечения согласованного уровня QoS в направлении «вверх», широковещательных статусных сообщений, кодирования/декодирования данных на абонентской и управляющей плоскостях, а также компрессия/декомпрессия заголовков пакетов в направлениях «вниз» и «вверх» на абонентской плоскости.

Используемые методы и технологии для обеспечения качества обслуживания — (Quality of Service, QoS)
Изучив целый ряд технологий многостанционного доступа, проект 3GPP остановил свой выбор на технологии OFDM для нисходящего канала и технологии SC-FDMA — для восходящего. Сделанный выбор поддерживает не только гибкость спектра, но и удовлетворяет строгим критериям, предъявляемым к пропускной способности каналов, эффективности использования спектра, а также качеству обслуживания.

Поскольку существующая концепция QoS для систем GSM и W-CDMA несколько сложна, разработчиками LTE/SAE была предпринята попытка реализации концепции QoS, которая бы объединила в себе простоту и гибкость доступа с поддержкой обратной совместимости. В системе LTE/SAE используется концепция качества обслуживания, основанная на классах. Она предлагает операторам простое, но эффективное решение для дифференцирования различных пакетных услуг.

Значительное внимание в разработках 3GPP уделено обеспечению качества обслуживания, выбору сети и использованию идентификационных данных. Появление многорежимных терминалов, предназначенных, например, для работы в сетях Wi-Fi и сотовой связи, позволяет обслуживать абонентов с применением разных технологий радиодоступа. В этой связи в SAE/EPS предусмотрены механизмы выбора наиболее удобной инфраструктуры для предоставления услуг, необходимых абоненту.

Как отмечают разработчики SAE, предложенные ими архитектурные изменения позволят значительно уменьшить задержки при передаче данных, которые особенно критичны для таких приложений, как VoIP или онлайновые интерактивные игры. К примеру, для коротких IP-пакетов и небольшой сетевой нагрузки суммарная задержка при обращении пакета по сети LTE/SAE должна составлять около 5 мс при полосе пропускания 5 МГц и свыше 10 мс для меньших полос. Эти значения, по крайней мере, на 50% лучше аналогичных показателей наиболее совершенных из нынешних сетей 3G.

Расширение существующих механизмов UMTS
В существующих стандартах UMTS были стандартизированы несколько передовых методов пакетной передачи данных, в частности, метод быстрой адаптации канала (адаптивная модуляция и кодировка с гибридным ARQ) для фреймов малой длины. Таблица 2 иллюстрирует существующие механизмы Релиза 6 3GPP (HSPA) и их возможное развитие до уровня E-UTRA (LTE).

lte_24_02_2010_3

В нисходящей и восходящей линиях E-UTRA частотное (или частотно-селективное) планирование (frequency domain (or selective) scheduling, FDS) может значительно (на 20-30%) улучшить емкость системы по сравнению с временным планированием (time domain scheduling, TDS). Причем в системе E-UTRA поддерживается как частотно-селективное, так и частотно-разнесенное планирование. Последнее может использоваться для передач на высоких скоростях, для работы на краях сот, услуг с малой нагрузкой и для некоторых каналов управления.

Многоантенная подсистема (MAS) и MIMO
Для удовлетворения требований E-UTRA по пиковым скоростям передачи данных в системе должно поддерживаться мультиплексирование с пространственным разносом множественных потоков данных к одному абонентскому терминалу. Для этого необходимо применить, по меньшей мере, две, а то и четыре передающие антенны. Благодаря использованию метода многостанционного доступа с пространственным разделением (spatial division multiple access, SDMA) в системе E-UTRA может работать как однопользовательский, так и многопользовательский режимы MIMO, позволяющие передавать различные потоки данных различным абонентам в пределах одной ресурсной области. Для каналов управления будут применены схемы с разносом передачи без обратной связи, например, схема разноса с циклическим сдвигом или схема пространственно-временных блочных кодов. Для поддержания режима работы MIMO с обратной связью для общего канала данных необходимы обратная связь по канальной информации или данные предварительного кодирования.

Сокращение интерференции
Для достижения максимальной спектральной эффективности фактор повторного использования частоты, равный 1, предложен для направлений «вниз» и «вверх». Межсекторная и межсотовая интерференции могут представлять серьезную проблему для абонентских терминалов, находящихся на краях сот или в местах с плохим радиоохватом. Управление мощностью в восходящем канале позволяет сокращать интерференцию за счет координации, предотвращения или усреднения интерференции. Решения с узконаправленными антеннами на базовой станции также могут быть применены как средство сокращения межсотовой интерференции в восходящем канале.

В следующей статье мы затронем вопросы радиочастотного распределения для систем LTE.

Использованная литература
1. «Телеком. Коммуникации и сети.» 3/2008, с. 52. Пер Беминг, Ларс Фрид, Геран Халл, Петер Мальм, Томас Норен, Магнус Олссон, Геран Руне. Компания Ericsson.
2. http://www.3gpp.org/article/lte
3. http://en.wikipedia.org/wiki/3GPP_Long_Term_Evolution
4. http://www.ericsson.com
5. Невдяев Л. М. Мобильная связь 3-го поколения. Серия изданий «Связь и бизнес», М., 2000—208 с.
ISBN 5-93184-006-0.
6. http://www.motorola.com TECHNICAL WHITE PAPER: Long Term Evolution (LTE): A Technical Overview.
7. «Телеком. Коммуникации и сети.» 3/2008, с. 52. Пер Беминг, Ларс Фрид, Геран Халл, Петер Мальм, Томас Норен, Магнус Олссон, Геран Руне. Компания Ericsson.
8. http://www.ericsson.com FULL SERVICE BROADBAND ARCHITECTURE. White Paper, June 2008.
9. http://en.wikipedia.org/wiki
10. Блайич Т. Эволюция радиосети доступа в мобильных системах третьей генерации. Эрикссон Никола Тесла а.о., Загреб, Хорватия, 2006.

Orphus system
Подписывайтесь на канал infoCOM.UZ в Telegram, чтобы первыми узнавать об ИКТ новостях Узбекистана
В Telegram
В WhatsApp
В Одноклассники
ВКонтакте