Системы мобильной связи третьего и четвертого поколения. Стандарты беспроводного абонентского доступа.

11.1Стандарты третьего поколения. Пути эволюции систем третьего поколения. IMT-2000. Сервисные требования. Требования к спектру. Совместимость. Типы систем третьего поколения.

Многие из будущих приложений мобильных систем третьего поко­ления (3G) обнаруживаются по мере разработки стандартов этого поколе­ния.Впервую очередь разрабатываются и внедряются такие услуги, как доступ к беспроводным услугам Интернет, постоянный доступ к Се­ти, диалоговому видео и речи для сопровождения компьютерных услуг.

Термин 3G стал довольно неопределенным. Ранее положения о сис­темах третьего поколения были определены достаточно точно в рамках стандартов. Они ставили цель обеспечить пользователям мобильной свя­зи характеристики услуг не хуже, а может быть и лучше, чем в системе ISDN при скорости обмена 144 Кбит/с.

Некоторые первоначальные стандарты, переходные от поколения 2G к 3G, такие как стандарт «общая служба пакетной радиопередачи» (GPRS — General Packet Radio Service) и IS-95, могли обеспечивать характеристики, близкие к намеченным в 3G при некоторых оптимальных условиях. Напри­мер, служба пакетной передачи составляет не более 115 Кбит/с. Системы третьего поколения вначале не были предназначены для широкого исполь­зования из-за дорогих терминалов и оборудования базовых станций.

Технологически увеличение скоростей реализуется несколькими способами: расширением используемого спектра и новыми методами мо­дуляции, применяющими сжатие данных при заданном частотном диапа­зоне. Например, новые методы модуляции заменяют традиционную двоичную систему системой с большим значением одного разряда (ампли­тудно-фазовая модуляция).

Требования к системам 3G наиболее полно сформулированы в реко­мендациях IMT-2000 Международным союзом электросвязи (МСЭ). На­иболее важные из них:

• глобальный роуминг;

• сочетание пакетной коммутации данных и коммутации каналов;

• эффективное использование спектра частот;

• открытая архитектура;

• обеспечение передачи речи, данных и мультимедийных услуг;

• качество речи, сопоставимое с проводной связью;

• защита информации, сопоставимая с уже имеющейся системой в
ТфОП/ISDN;

• взаимная работа со спутниковыми системами;

• высокая скорость передачи данных;

• поддержка иерархической структуры сот (HCS — Hierarchical Cell
Structure);

• поэтапный подход к повышению скорости передачи данных до
2 Мбит/с.

В Европе (рис.11.1) преобладает тенденция разработки систем на ос­нове CDMA, совместимых с GSM (в частности, с японскими системами), но не предусматривается совместимость в глобальном масштабе.

В США имеется много сторонников эволюционного развития CDMA One к системе CDMA-2000. При этом ни один из стандартов не предполагает взаимодействия с европейской и японской системой.

Операторы DAMPS и GSM являются сторонниками дальнейшего развития систем на базе временного разделения каналов (TDMA). В ре­зультате пока глобальный роуминг видится возможным только с исполь­зованием многорежимного телефона.

Последнее требование особенно важно для поставщиков услуг, опе­раторов и производителей аппаратуры. Они заинтересованы в том, чтобы предоставлять лучшие услуги (естественно, получая прибыли), но при этом сохранить доходы с уже вложенных средств (защита инвестиций). Поэтому наиболее подходящим является эволюционный путь развития. Один из многих вариантов такой эволюции пока­зан на рис.11.1.

В связи с этим разрабатываемые стандарты должны предусматри­вать совместимость с их предшественниками. Конечная цель заключа­ется в том, чтобы имеющиеся телефоны могли обслужить соединение при перемещении мобильной станции между сотами, базирующимися на старых и новых технологиях. Имеются различные направления эво­люции.

AMPS Advanced Mobile Phone Service Усовершенствованная служба мобильной связи
CDMA (One IS-95) Система второго поколения, реализованная на базе стандарт. IS-95

CDMA 2000 Название проекта стандарта, который разработан в рамках программы IMT-2000
DAMPS Digital AMPS Цифровая Усовершенствованная служба мобильной связи

EDGE Enhanced Data rate for GSM (Технология) увеличения скорости данных для

Evolution передачи данных в сетях GSM

FHCDMA Frequency Hopping — CDMA CDMA со скачкообразной перестройкой частоты
GPRS General Packet Radio Service Услуги Пакетной Радиопередачи

GSM Global System for Mobile Глобальная система подвижной связи

communication
HDR High Data Rate Система CDMA с высокой скоростью передачи данных

MCDMA Multi-Carrier CDMA Многочастотный -CDMA

PDC Personal Digital Cellular Персональная цифровая сотовая связь

UWC-136 Universal Wireless Проект стандарта системы 3-го поколения

Communication IS-136 на основе проекта EDGE

THCDMA Time Hopping — CDMA CDMA с псевдослучайной перестройкой во времени

WCDMA Wideband CDMA Широкополосный CDMA

1XMS CDMA lx Multi Carrier Гибридная технология, сочетающая частотное

разделение с кодовым разделением каналов
lXtrem Высокоскоростная технология развивающая IMT-2000

3XMS CDMA ЗХ Multi Carrier Гибридная технология, сочетающая многочастотное разделение с кодовым разделением каналов

Рис.11.1. Пути эволюции к системе 3G

В апреле 2007г. Федеральным агенством связи (Россвязь) проводил­ся конкурс на право предоставления услуг подвижной радиотелефонной связи с использованием полос частот в трех диапазонах 1935-1950 МГЦ, 2010-2015 МГЦ, 2125, 2140 МГЦ. Это, по сути явилось началом внедрения услуг 3G на территории России. Если рассмотреть сегодняшние прогно­зы систем 3G, то они сводятся к трем моментам;

1. Системы, относящиеся к 3G, являются наиболее совместимыми с существующим оборудованием, дешевыми и имеют большие пер­спективы развития, поскольку в них вложены большие средства и имеется хорошая административная база.

2. Россия имеет уникальный шанс сразу перейти на широкополос­ную систему (наиболее вероятно — это система WiMAX будет ска­зано далее, но может быть, как показывают последние события, и система LTE).

3. Система 3G и широкополосные системы имеют разные сектора применения на рынке услуг и могут существовать параллельно.

Рассмотрение доводов в защиту каждого из этих направлений выхо­дит за рамки этой книги. Ниже приведены основные сведения о системах, охватываемых понятием систем 3G, и их характеристикам. Естественно, что системы развиваются стремительно во времени, и в ближайшее время можно ожидать новых свойств, например, повышения скоростей и рас­ширения услуг до уровня, сравнимого с системами широкополосной мо­бильной связи

Работы по созданию системы IMT-2000 началась в 1992 г., когда стало ясно, что мобильные системы играют все более и более важную роль.

Проект ITU-2000 (International Mobile Telecommunication — 2000 — Междуна­родная мобильная связь - 2000) ставил цели:

• предполагаемое ITU начало работы этой системы — 2000 год;

• скорость передачи данных 2000 Кбит/с;

• область значения частоты, которую ITU хотел бы сделать доступ­ной для новой технологии, — 2000 МГц.

Ни одна из этих задач не была полностью выполнена, но название закрепилось.

IMT-2000, как предполагалось, сможет охватывать все возмож­ные применения беспроводной связи. Например:

• беспроводные сети доступа и локальные вычислительные сети (LAN) смогут обеспечить пользователям высокие скорости пере­дачи данных на улице, в офисе и дома;

• связь через спутники позволила бы людям обращаться к основ­ным речевым службам и услугам передачи данных буквально из любой точки Земли, даже если они находятся вне области, охва­ченной сотовой сетью. Она называется мобильной спутниковой
службой (MSS — Mobile Satellite Service) и мобильной глобальной персональной спутниковой связью (GMPCS — Global Mobile Personal Communication by Satellite).

Беспроводные сети IMT-2000 могли бы впервые предоставить связь более бедным странам, обеспечивая их сравнительно дешевым и быстрым путем совместного развития наземных и мобильных линий связи.

Теоретически, ориентируясь на использование всех типов беспро­водных услуг по единственной системе радиосвязи, пользователи могли приобретать для них единое устройство. Они могли использовать мобиль­ный телефон как домашний переносной телефон или даже делать вызовы через спутник посреди океана. Промышленность могла бы экономить деньги, потому что составляющие устройство компоненты развивались бы для одного типа технологии и могли бы легко применяться в разных странах.

Первоначально МСЭ надеялся создать единый стандарт универсаль­ной системы подвижной связи, однако по прошествии времени стало яс­но, что, несмотря на относительную несложность формулировки основ­ных требований к системе 3G, весьма непростым вопросом оказалась раз­работка стратегии достижения этих требований. Большинство этих идей было оставлено к 1999 г., когда были созданы первые прототипы оборудо­вания IMT-2000.

Фиксированные беспроводные системы (беспроводный доступ и ло­кальные сети) лучше всего работают на намного более высоких частотах, чем обычные мобильные телефоны.

Спутниковые телефоны являются более дорогими и имеют намного большие размеры, чем те, которыми готово воспользоваться большинст­во людей. Беспроводные LAN получают развитие в некоторых областях — например, беспроводная работа по Интернету на улице и в движении, но реализация этих стандартов в рамках IMT-2000 маловероятна, поэтому IMT-2000 сегодня имеет наиболее эффективную цель — это высокоско­ростная передача данных по сотовой сети.

11.2 Основные процедуры LTE. Процедуры физического уровня. Управление доступом к среде. Обеспечение качества обслуживания. Служба планирования управления доступом к среде. Управление мощностью. Инициализация вызова и запрос полосы. Передача вызова (хэндовер). Безопасность.

Одной из технологий, призванных для решения насущных задач современных телекоммуникаций, является технология Long Term Evolution, или, сокращённо, LTE-технология. Соответственно этому, сети мобильной связи, реализованные на основе такой технологии, называют LTE-сети.

В конце 2009 г. шведско-финский оператор телекоммуникационных услуг TeliaSonera совместно с производителем телекоммуникационного оборудования Ericsson объявили о запуске в городах Стокгольм и Осло первой в мире коммерческой LTE-сети с заявленной скоростью передачи данных до 80 Мбит/с. К настоящему моменту (май 2011 г.) в мире насчитывается около 20 функционирующих в коммерческом режиме сетей LTE, при этом ещё около 50 сетей либо уже эксплуатируются в тестовом режиме, либо готовятся к запуску в ближайшее время.

Условность понятия «сети LTE», под которой — вопреки требованиям однозначной критериальности в технической терминологии — понимают и систему, и сеть, и, наконец, сетевую технологию четвёртого поколения. Сети LTE являются дальнейшим развитием се-тей UMTS третьего поколения. К сетям LTE относится большая часть спецификаций для сетей UMTS, в том числе, касающихся предоставления пользовательских услуг.

LTE базируется на трех основных технологиях: мультиплексирование посредством ортогональных несущих OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), многоантенные системы MIMO (Multiple Input Multiple Output) и эволюционная системная архитектура сети (System Architecture Evolution).

Принципиально, что дуплексное разделение каналов может быть как частотным (FDD), так и временным (TDD). Это позволяет операторам очень гибко использовать частотный ресурс. Такое решение открывает путь на рынок тем компаниями, которые не обладают спаренными частотами. С другой стороны, поддержка FDD очень удобна для традиционных сотовых операторов, поскольку у них спаренные частоты есть "по определению" – так организованы практически все существующие системы сотовой связи. Сама же по себе система FDD существенно более эффективна в плане использования частотного ресурса, чем TDD, – в ней меньше накладных расходов (служебных полей, интервалов и т.п.).

Обмен между базовой станцией (БС) и мобильной станцией (МС) строится по принципу циклически повторяющихся кадров (в терминологии LTE – радиокадр) [9]. Длительность радиокадра – 10 мс. Все временные параметры в спецификации LTE привязаны к минимальному временному кванту Ts = 1 / (2048·∆f), где ∆f – шаг между поднесущими, стандартно – 15 кГц. Таким образом, длительность радиокадра – 307200Ts. Сам же квант времени соответствует тактовой частоте 30,72 МГц, что кратно стандартной в 3G-системах (WCDMA с полосой канала 5 МГц) частоте обработки 3,84МГц (8×3,84 = 30,72).

Стандарт LTE предусматривает два типа радиокадров. Тип1 предназначен для частотного дуплексирования – как для полного дуплекса, так и для полудуплекса. Такой кадр состоит из 20 слотов (длительностью 0,5 мс), нумеруемых от 0 до 19. Два смежных слота образуют субкадр (рис.5). При полнодуплексном режиме радиокадры в восходящем и нисходящем каналах передаются параллельно, но с оговоренным в стандарте временным сдвигом.

Радиокадр типа 2 (рис.6) предназначен только для временного дуплексирования. Он состоит из двух полукадров длительностью по 5 мс. Каждый полукадр включает 5 субкадров длительностью 1 мс. Стандарт предусматривает два цикла временного дуплексирования – 5 и 10 мс. В первом случае 1-й и 6-й субкадры идентичны и содержат служебные поля DwPTS, UpPTS и защитный интервал GP. При 10-мс цикле TDD 6-й субкадр используется для передачи данных в нисходящем канале. Субкадры 0 и 5, а также поле DwPTS всегда относятся к нисходящему каналу, а субкадр 2 и поле UpPTS– к восходящему. Возможно несколько вариантов длительности полей DwPTS, UpPTS и GP, но их сумма всегда равна 1 мс.

Архитектуру сетей LTE можно назвать «плоской», поскольку практически всё сетевое взаимодействие происходит между двумя узлами: базовой станцией (БС), которая в технических спецификациях называется B-узлом (Node-B, eNB) и блоком управления мобильностью БУМ (MME, Mobility Management Entity), реализационно, как правило, включающим и сетевой шлюз Ш (GW, Gateway), т. е. имеют место комбинированные блоки MME/GW.

Отметим, что контроллер радиосети, игравший весьма значительную роль в сетях предыдущих поколений, устранён от управления потоком данных (фактически он даже отсутствует в структурных схемах), а его традиционные функции — управление радиоресурсами сжатие заголовков, шифрование, надёжная доставка пакетов и др. переданы непосредственно БС.

БУМ работает только со служебной информацией — так называемой сетевой сигнализацией, так что IP-пакеты, содержащие пользовательскую информацию, через него не проходят. Преимущество наличия такого отдельного блока сигнализации в том, что пропуск-ную способность сети можно независимо наращивать как для пользовательского трафика, так и для служебной информации. Главной функцией БУМ является управление пользовательскими терминалами (ПТ), находящимися в режиме ожидания, включая перенаправление и исполнение вызовов, авторизацию и аутентификацию, роуминг и хэн-довер, установление служебных и пользовательских каналов и др.

Описание физического уровня LTE

Стандарт LTE на физическом уровне использует технологию Orthogonal Freuency Division Multiplexing (OFDM). Отметим, что эта технология решает проблему устранения межсимвольной интерференции, которая возникает при высокоскоростной передаче данных из-за многолучевого распространения сигнала.

В спецификации для указания различных длительностей по оси времени используется понятие временной единицы TS = 1/(15000x2048) с. Передача по радиоканалу осуществляется кадрами (frame) длиной Tf = 307200xTS = 10 мс. При этом поддерживаются две структуры кадров. Одна для случая частотного дуплекса (Frequency Division Duplex, FDD), другая - для временного дуплекса (Time Division Duplex, TDD).

Структура кадров

Сначала рассмотрим кадр для случая FDD. Каждый кадр состоит из 20 слотов длиной Tslot = 15360xTS = 0.5 мс, которые пронумерованы от 0 до 19. Кроме этого, выделяется понятие подкадра (subframe), который состоит из двух соседних слотов, то есть подкадр с номером i включает в себя слоты с номерами 2i и 2i+1.

В случае FDD нисходящий (downlink) и восходящий (uplink) каналы передаются на разных частотах, поэтому в каждом 10 мс интервале времени имеется 10 подкадров для передачи "вниз" и 10 подкадров для передачи "вверх".

На рисунке ниже изображена структура кадра для случая FDD.

Теперь рассмотрим кадр для случая TDD. В данном случае кадр так же состоит из 10 подкадров длиной 1 мс. Однако, в отличие от FDD случая, в TDD случае в некоторых подкадрах идет передача "вниз", а в некоторых "вверх". Кроме этого, существуют специальные подкадры, которые состоят из трех частей: DwPTS - поля передачи "вниз", GP - защитного интевала и UpPTS - поля передачи "вверх". Поддерживаются две возможные конфигурации периодичности передключения с периодом переключения 5 мс и 10 мс. В случае переключения с периодом 10 мс специальный подкадр присутствует только в первой половине кадра. В случае же с 5 мс перключением специальный подкадр существует в обоих половинах кадра. Именно этот случай и представлен на следующем рисунке

Ниже в таблице представлены все возможные конфигурации при TDD.

В таблице буквой "D" обозначены подкадры, в которых осуществляется передача "вниз", "U" - подкадры, в которых осуществляется передача "вверх", а "S" - специальные подкадры. Как видно из таблицы, в подкадрах 0 и 5 всегда осуществляется передача "вниз", а в подкадре, следующим за специальным, всегда осуществляется переда "вверх".

Характеристики канального ресурса

При использовании технологии OFDM передача данных осуществляется на множестве частотных поднесущих (subcarrier). При расстоянии между поднесущими ΔF = 15 кГц (опционально возможен еще вариант с 7.5 кГц) длительность OFDM символа составляет 1/ΔF = 66.7 мкс. В каждом слоте (0.5 мс) передают 6 или 7 OFDM символов в зависимости от длительности циклического префикса (Cyclic Prefix, CP). Длительность циклического

префикса равна TCP = 160xTS = 5.2 мкс перед первым символом и TCP = 144xTS = 4.7 мкс

перед остальными символами. Также есть возможность использования расширенного циклического префикса длительностью TCP = 512xTS = 16.7 мкс. В этом случае в одном слоте передаются 6 OFDM символов. На рисунке ниже представлены оба варианта структуры слота.

Весь канальный ресурс разбивается на ресурсные блоки (РБ, Resource Block, RB). Один блок состоит из 12 расположенных рядом поднесущих, занимающих полосу 180 кГц, и одного временного слота (6 или 7 OFDM символов общей длительностью 0.5 мс). Каждый OFDM символ на каждой из поднесущих образует ресурсный элемент (РЭ, Resource Element, RE), который характеризуется парой значений {k, l}, где k - номер поднесущей, l - номер символа в ресурсном блоке. При обычной конфигурации (со стандартной длительностью циклического префикса и, следовательно, с 7-ю OFDM символами в одном слоте) в нисходящем канале каждый ресурсный блок включает в себя 12x7 = 84 ресурсных элемента.

Часть из ресурсных элементов используется для передачи пилотного (опорного, reference) сигнала, который используется для синхронизации и оценки состояния радиоканала. Эти сигналы передаются в первом и пятом OFDM символе каждого слота при стандартной длине циклического префикса и в первом и четвертом - при расширенной длине циклического префикса. При этом, в частотной области эти сигналы разносятся на фиксированную величину. Ниже на рисунке приводится схема ресурсного блока с указанием ресурсных элементов, в которых передаются пилотные сигналы при стандартной длине циклического префикса. При восходящей передаче используют те же понятия ресурсного блока и подкадра. При этом выделение ресурса пользовательским устроствам происходит на всю длительность подкадра.

В настоящее время пользователи могут запускать большое множество различных приложений на своих клиентских устройствах. При этом каждое приложение имеет свои требования к качеству обслуживания. Для того, чтобы обеспечить соблюдение параметров QoS для множества приложений, создаются различные EPS потоки. Все возможные EPS потоки можно разбить на две большие группы: потоки с гарантированной минимальной скоростью передачи (Minimum Guaranteed Bit Rate, GBR) и потоки без гарантий по скорости передачи данных (Non-GBR). Рассмотрим эти два типа потоков чуть более подробно.

GBR потоки. Потоки этого типа имеют заданное значение минимальной скорости передачи, которое устанавливается во время процедур создания потока или его изменения. При этом, возможна передача данных с большей скоростью, чем минимально установленная, если есть свободные ресурсы на радио канале. Также может быть установлено ограничение на максимальную скорость передачи данных (Maximum Bit Rate, MBR). Потоки такого типа используются, например, при передаче VoIP трафика.

Non-GBR потоки. Потоки данного типа не гарантируют никакой минимальной скорости передачи данных. Поэтому эти потоки используются для передачи трафика при просмотре интернет страниц и при передаче файлов по FTP.

На участке между eNodeB и UE обеспечением параметров QoS занимается eNodeB. Для этого каждому потоку приписан идентификатор QoS класса (QoS Class Identifier, QCI). Каждый QCI определяет значения для следующих параметров QoS: приоритет, допустимая задержка и допустимое количество потерянных пакетов. Все возможные значения QCI, а также значения параметров QoS, относящиеся к конкретному QCI, определены в спецификации. Что должно обеспечить одинаковую обработку потоков одного и того же типа на оборудовании различных производителей. На рисунке ниже приводится определенное множество QCI и их характеристик. Отметим, что значение допустимой задержки определяется на участке между P-GW и UE.

Как правило, значения приоритета и допустимой задержки определяют каким образом планировщик на eNodeB будет обрабатывать пакеты данных. Если значение допустимых потерь равно 10^-6, то будет использоваться передача с подтверждением.

При передаче данных по сети пользовательские потоки должны пройти несколько интерфейсов (LTE-Uu, S1, S5/S8) прежде, чем они попадут во внешнюю сеть или на UE. На каждом интерфейсе EPS потоки отображаются на потоки более низких уровней, которые имеют свои идентификаторы. Каждый узел обеспечивает соответствие идентификаторов потока на различных интерфейсах (к которым этот узел имеет отношение). Отметим, что на интерфейсах S1 и S5/S8 поток определяется идентификатором GTP туннеля. Пакеты, относящиеся к одному и тому же EPS потоку, всегда обрабатываются одинаковым образом.

Классификация входящих пакетов для определения к какому потоку они относятся осуществляется с помощью TFT (Traffic Flow Template). Эти шаблоны используют информацию из IP заголовка пакета такую, как IP адреса отправителя и получателя и номера TCP портов.

В LTE используется модуляция OFDM, хорошо исследованная в системах DVB, Wi-Fi и WiMAX. Напомним, технология OFDM предполагает передачу широкополосного сигнала посредством независимой модуляции узкополосных поднесущих вида S_k(t) = A_k·sin [2π (f_k + k∆f)], расположенных с определенным шагом по частоте ∆f. Один OFDM-символ содержит набор модулированных поднесущих. Во временной области OFDM-символ включает поле данных (полезная информация) и так называемый циклический префикс CP (Cyclic Prefix) – повторно передаваемый фрагмент конца предыдущего символа. Назначение префикса – борьба с межсимвольной интерференцией в приемнике вследствие многолучевого распространения сигнала. Отраженный сигнал, приходящий с задержкой, попадает в зону префикса и не накладывается на полезный сигнал. В LTE принят стандартный шаг между поднесущими ∆f = 15 кГц, что соответствует длительности OFDM-символа 66,7 мкс.

Каждому абонентскому устройству (АУ) в каждом слоте назначается определенный диапазон канальных ресурсов в частотно временной области – ресурсная сетка. Ячейка ресурсной сетки – так называемый ресурсный элемент – соответствует одной поднесущей в частотной области и одному OFDM-символу во временной. Ресурсные элементы образуют ресурсный блок – минимальную информационную единицу в канале. Ресурсный блок занимает 12 поднесущих (т.е. 180кГц) и 7 или 6 OFDM-символов, в зависимости от типа циклического префикса (табл.2) – так, чтобы общая длительность слота составляла 0,5 мс. Число ресурсных блоков NRB в ресурсной сетке зависит от ширины полосы канала и составляет от 6 до 110 (ширина частотных полос восходящего/нисходящего каналов в LTE – от 1,4 до 20 МГц). Ресурсный блок – это минимальный ресурсный элемент, выделяемый абонентскому устройству планировщиком базовой станции. О распределении ресурсов в каждом слоте базовая станция сообщает в специальном управляющем канале.

Длительность префикса 4,7 мкс позволяет бороться с задержкой отраженного сигнала, прошедшего путь на 1,4 км больше, чем прямо распространяющийся сигнал. Для систем сотовой связи в условиях города этого обычно вполне достаточно. Если же нет – используется расширенный префикс, обеспечивающий подавление межсимвольной интерференции в ячейках радиусом до 120 км. Такие огромные ячейки полезны для разного рода шикроковещательных сервисов (MBMS), таких как мобильное ТВ-вещание. Для этих же режимов (только в нисходящем канале) предусмотрена особая структура слота, с шагом между поднесущими 7,5 кГц и циклическим префиксом 33,4 мкс. В слоте при этом всего три OFDM-символа. Особый случай широковещательного сервиса представляет режим MBSFN (мультимедийный широковещательный сервис для одночастотной сети). В этом режиме несколько БС в определенной MBSFN-зоне одновременно и синхронно транслируют общий широковещательный сигнал.

Каждая поднесущая модулируется посредством 4-, 16- и 64- позиционной квадратурной фазово-амлитудной модуляции (QPSK, 16-QAM или 64-QAM). Соответственно, один символ на одной поднесущей содержит 2, 4 или 6 бит. При стандартном префиксе символьная скорость составит 14000 символов/с, что соответствует, при FDD-дуплексе, агрегатной скорости от 28 до 84 кбит/с на поднесущую. Сигнал с полосой 20 МГц содержит 100 ресурсных блоков или 1200 поднесущих, что дает общую агрегатную скорость в канале от 33,6 до 100,8 Мбит/с.

Спецификации LTE определяют несколько фиксированных значений для ширины восходящего и нисходящего канала между БС и АС (в сетях E-UTRA) (табл.3.). Поскольку в OFDM используется быстрое преобразование Фурье (БПФ), число формальных поднесущих для упрощения процедур цифровой обработки сигнала должно быть кратно N = 2n (т.е. 128, 256, ..., 2048). При этом частота выборок должна составлять Fs = ∆f · N. При заданных в стандарте значениях она оказывается кратной 3,84МГц – стандартной частоте выборок в технологии WCDMA. Это очень удобно для создания многомодовых устройств, поддерживающих как WCDMA, так и LTE. Разумеется, при формировании сигнала амплитуды "лишних" поднесущих (включая центральную поднесущую канала) считаются равными нулю.

Нисходящий канал

В нисходящем и восходящем канале применение технологии OFDM различно. В нисходящем канале эта технология используется не только для передачи сигнала, но и для организации множественного доступа (OFDMA) – т.е. для мультиплексирования абонентских каналов.

Помимо описанного физического структурного блока вводится понятие логического структурного блока. По числу ресурсных элементов они эквивалентны, однако возможно два варианта отображения ресурсных элементов физического блока в логический – один в один и распределенно. В последнем случае элементы логического ресурсного блока оказываются распределенными по всей доступной ресурсной сетке.

В отличие от пакетных сетей, в LTE нет физической преамбулы, которая необходима для синхронизации и оценки смещения несущей. Вместо этого в каждый ресурсный блок добавляются специальные опорные и синхронизирующие сигналы. Опорные сигналы могут быть трех видов – опорный сигнал, характеризующий ячейку (Cell-specific), сигнал, связанный с конкретным абонентским устройством, и сигнал для специального широковещательного мультимедийного сервиса MBSFN. Опорный сигнал служит для непосредственного определения условий в канале передачи (поскольку приемнику известно его месторасположение и исходная форма). На основе этих измерений можно определить реакцию канала для остальных поднесущих и с помощью интерполяции восстановить их исходную форму.

Опорный сell-specific-сигнал должен присутствовать в каждом субкадре нисходящего канала (кроме случаев MBSFN-передачи). Форма сигнала определяется на основе псевдослучайной последовательности Голда (вариант m-последовательности), при инициализации которой используется идентификационный номер ячейки БС (Cell ID). Такой опорный сигнал равномерно распределен по ресурсным элементам (рис.9). Так, при стандартной длине префикса он транслируется в 0-м и 4-м OFDM-символе, при расширенном СР – во время 0-го и 3-го OFDM-символа. В частотной области опорные сигналы передаются через каждые шесть поднесущих, причем смещение определяется идентификатором ячейки, взятым по модулю 6.

Помимо опорных сигналов, в нисходящем канале транслируются и синхронизирующие сигналы. Синхронизирующие сигналы также однозначно определяют Cell ID. В LTE принята иерархическая структура идентификации ячейки, как и в прешествующей ей технологии WCDMA. Предполагается, что на физическом уровне доступно 504 Сell ID. Они разбиты на 168 ID-групп, по 3 идентификатора в каждой. Номер группы N1 (0–167) и номер идентификатора в ней N2 (0–2) однозначно определяют ID ячейки. Используется два синхросигнала – первичный и вторичный. Первичный синхросигнал представляет собой 62-элементную последовательность в частотном плане, задаваемую последовательностью Задова-Чу на основе идентификатора N2. Такая последовательность из 62 поднесущих, распределенных по ресурсной сетке симметрично относительно ее центральной частоты, передается в радиокадре типа 1 в последнем OFDM-символе слотов 0 и 10 (субкадры 0 и 5). Врадиокадре типа 2 для передачи первичного синхросигнала используется третий OFDM-символ субкадров 1 и 6. Вторичный синхросигнал генерируется на основе номера ID-группы N1. Он передается в слотах 0 и 10 радиокадра типа 1 (пятый OFDM-символ при стандартном СР) и в слотах 1 и 11 радиокадра типа2 (шестой OFDM-символ при стандартном СР).

Формирование сигнала в нисходящем канале достаточно стандартно для современных систем цифровой передачи информации (рис.10). Оно включает процедуры канального кодирования, скремблирования, формирования модуляционных символов, их распределения по антенным портам и ресурсным элементам и синтеза OFDM-символов. Канальное кодирование подразумевает вычисление контрольных сумм (CRC-24) для блоков данных, поступающих с МАС-уровня. Затем блоки с контрольными суммами обрабатываются посредством кодера со скоростью кодирования 1/3. В LTE предусмотрено применение либо сверточного кода, либо турбо-кода. Кодированная последовательность после перемежения (интерливинга) поступает в скремблер (для входной последовательности {x(i)} выполняется процедура вида dscr(i) = x(i) + c(i), где c(i) – определенная скремблирующая последовательность). Затем формируются комплексные модуляционные символы (QPSK, 16- и 64-QAM) и распределяются по ресурсным элементам. Далее происходит синтез OFDM-символов, их последовательность посупает в модулятор, формирующий выходной ВЧ-сигнал в заданном частотном диапазоне. На стороне приема все процедуры выполняются в обратном порядке.

Восходящий канал

Применение OFDM в сочетании с циклическим префиксом делает связь устойчивой к временной дисперсии параметров радиоканала, в результате на приемной стороне становится не нужным сложный эквалайзер. Это очень полезно для организации нисходящего канала, поскольку упрощается обработка сигнала приемником, что снижает стоимость терминального устройства и потребляемую им мощность.

В восходящем канале допустимая мощность излучения значительно ниже, чем в нисходящем. Поэтому первичным становится энергетическая эффективность метода передачи информации с целью увеличения зоны покрытия, снижения стоимости терминального устройства и потребляемой им мощности.

Основной недостаток технологии OFDMА – высокое соотношение пиковой и средней мощности сигнала (PAR). Это связано с тем, что во временной области спектр OFDM-сигнала становится аналогичным Гауссову шуму, характеризующемуся высоким PAR. Кроме того, сама по себе технология OFDMА, с учетом необходимости минимизировать шаг между поднесущими и сокращать относительную длительность СР, предъявляет очень высокие требования к формированию композитного сигнала. Мало того, что частотные рассогласования между передатчиком и приемником и фазовый шум в принимаемом сигнале могут привести к межсимвольной интерференции на отдельных поднесущих (т.е. к интерференции между сигналами различных абонентских каналов). При малом шаге между поднесущими к аналогичным последствиям может привести и эффект Доплера, что очень актуально для систем сотовой связи, предполагающих высокую мобильность абонентов.

В связи с этим для восходящего канала LTE была предложена новая технология – SC-FDMA (Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access). Принципиальное ее отличие – если в OFDMA на каждой поднесущей одновременно передается свой модуляционный символ, то в SC-FDMA поднесущие модулируются одновременно и одинаково, но модуляционные символы короче. То есть в OFDMA символы передаются параллельно, в SC-FDMA – последовательно. Такое решение обеспечивает меньшее отношение максимального и среднего уровней мощности по сравнению с использованием обычной модуляции OFDM, в результате чего повышается энергоэффективность абонентских устройств и упрощается их конструкция (существенно снижаются требования к точности частотных параметров передатчиков).

Структура SC-FDMA-сигнала во многом аналогична технологии OFDM. Так же используется композитный сигнал – модуляция множества поднесущих, расположенных с шагом ∆f. Принципиальное отличие в том, что все поднесущие модулируются одинаково – т.е. единовременно передается только один модуляционный символ (рис.11).

При этом ресурсная сетка полностью аналогична нисходящему каналу. Так же каждый физический ресурсный блок, соответствующий слоту, занимает 12 поднесущих с шагом ∆f = 15кГц в частотной области (всего 180 кГц) и 0,5мс– во временной. Ресурсному блоку соответствуют 7SC-FDMA-символов при стандартном циклическом префиксе и 6 – при расширенном. Длительность SC-FDMA-символа (без префикса) равна длительности ОFDMA-символа и составляет 66,7мкс (длительности соответствующих циклических префиксов также равны). В сетке может быть от 6 до 110 ресурсных блоков, но их число должно быть кратно 2; 3 или 5, что связано с процедурой дискретного Фурье-преобразования. Еще одна особенность – поддержка модуляции 64-QAM в АУ опциональна.

Каждому абоненту сети для передачи данных от базовой станции с помощью функции планирования на определенное время выделяется определенное число ресурсных блоков. Расписание передается абонентам по служебным каналам в нисходящем радиоканале.

Однако если при OFDMA один модуляционный символ (QPSK, 16- или 64-QAM) соответствует OFDM-символу на одной поднесущей (15 кГц, 66,7 мкс), то при SC-OFDMA ситуация иная. В частотном плане ширина модуляционного символа оказывается равной всей доступной полосе частот (он передается на всех поднесущих одновременно). При этом один SC-FDMA-символ содержит несколько модуляционных символов – в идеале столько же, сколько поднесущих – но в соответствующее число раз более коротких по сравнению с OFDMA, что полностью отвечает условиям теоремы Котельникова-Шеннона.

Сама процедура формирования SC-FDMA-сигнала отличается от схемы OFDMA. После канального кодирования, скремблирования и формирования модуляционных символов они группируются в блоки по М символов – субсимволов SC-FDMA (рис.12). Очевидно, что непосредственно отнести их на поднесущие с шагом 15 кГц невозможно – требуется в N раз более высокая частота, где N – это число доступных для передачи поднесущих. Поэтому, сформировав группы по М модуляционных символов (М < N), их подвергают М-точечному дискретному Фурье-преобразованию (ДПФ), т.е. формируют аналоговый сигнал. А уже затем с помощью стандартной процедуры обратного N-точечного Фурье-п