Стандарт радиодоступа 4g lte
1. Переход от umts к lte
Разработка первой фазы стандарта LTE (Long Term Evolution) была завершена к 2008г. Ей предшествовало развитие технологии HSPA (High Speed Packet Access) в стандарте UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) [1] и появление стандарта широкополосного беспроводного радиодоступа IEEE802.16e – мобильного WiMAXa. В LTE, как и в WiMAX, на физическом уровне применена технология OFDM, а из HSPA UMTS взято адаптивное управление пакетной передачей в реальном времени с использованием технологии HARQ, многие протоколы уровней L2 и L3. Поэтому LTE является развитием стандартов 3GPP на пути к стандартам 4-го поколения. Главное отличие стандарта LTE от UMTS состоит в резком увеличении рабочей полосы (от 3,84 МГц в UMTS до 10 – 20 МГц в LTE), что и обуславливает увеличение скоростей передачи во много раз. Спецификации LTE впервые появляются в Rel.8 3GPP, развиваясь далее в Rel.9. В настоящее время завершается работа над Rel.10 LTE-A (LTE-Advanced), где сквозная пропускная способность возрастает с 200 до 800 Мбит/с.
Сети LTE ориентированы на использование глобальной пакетной сети GSM/UMTS для организации глобального роуминга. Напомним структуру сети GSM/UMTS (рис.1.1). Её отличительной чертой является использование универсальных интерфейсов Iu для связи ядра сети с обеими подсистемами радиодоступа: GERAN и UTRAN. Следует также отметить, что при пакетной передаче в пользовательской плоскости интерфейсы Gn и Iu(PS) построены как туннельные соединения (рис.1.2).
Рис.1.1. Архитектура интегральной сети UMTS и GSM
Рис.1.2. Структура туннельного протокола
Технологии высокоскоростной пакетной передачи, предлагаемые в 3GPP Rel.7, получили название HSPA+. В HSPA+ пиковая скорость вниз может быть увеличена до 28,8 Mбит/с при применении многоантенных систем (технология MIMO), а вверх до скорости 11,5 Мбит/с. В Rel.6 B = 10,8 Мбит/с при Rкода = ¾ и использовании 16-КАМ, а при Rкода =1 B = 14,4 Мбит/с. В Rel.7 добавлена модуляция 64-КАМ, что позволяет увеличить скорость передачи в 1,5 раза. При переходе от 4-ФМ к 16-КАМ требования к отношению сигнал/помеха при приеме сигнала возрастают на 6 дБ, и при переходе от 16-КАМ к 64-КАМ еще на 6 дБ.
Применение многоантенных систем позволяет реализовать следующие технологии
- разнесенный прием (одна передающая антенна и несколько приемных);
- пространственно-временное кодирование (несколько передающих антенн и одна или несколько приемных);
- пространственное мультиплексирование (несколько передающих и несколько приемных антенн).
Последние 2 технологии реализованы в структурах MIMO (multiple input – multiple output).
Рассмотренные методы увеличения скорости передачи при HSDPA привели к расширению списка категорий мобильных станций, поддерживающих ПО Rel.7 (табл.1.1). По сравнению с Rel.6 в табл.1 добавлены категории станций 13 -18, поддерживающих модуляцию 64-КАМ и MIMO. . В результате пиковая скорость вниз при 64-КАМ возрастает до 21,1 Мбит/с, а с MIMO до 28 Мбит/с. Теоретически комбинация 2×2 MIMO и 64-КАМ может поднять пиковую скорость до 40 Мбит/с, но эта комбинация в Rel.7 не предусмотрена. В HSUPA использование 16-КАМ увеличивает скорость передачи до 11,5 Мбит/с.
Таблица 1.1
Категория UE в режиме HSDPA |
Модуляция; максимальное число принимаемых кодов;
|
Максимальное число бит в HS-DSCH транспортном блоке одного 2 мс субкадра; минимальный интервал между субкадрами |
Максимальная скорость передачи данных, Мбит/с |
Категория 1 |
4-ФМ, 16-КАМ; 5 |
7298; 3 |
1,2 |
Категория 2 |
4-ФМ, 16-КАМ; 5 |
7298; 3 |
1,2 |
Категория 3 |
4-ФМ, 16-КАМ; 5 |
7298; 2 |
1,8 |
Категория 4 |
4-ФМ, 16-КАМ; 5 |
7298; 2 |
1,8 |
Категория 5 |
4-ФМ, 16-КАМ; 5 |
7298; 1 |
3,6 |
Категория 6 |
4-ФМ, 16-КАМ; 5 |
7298; 1 |
3,6 |
Категория 7 |
4-ФМ, 16-КАМ; 10 |
14411; 1 |
7,2 |
Категория 8 |
4-ФМ, 16-КАМ; 10 |
14411; 1 |
7,2 |
Категория 9 |
4-ФМ, 16-КАМ; 15 |
20251; 1 |
10,2 |
Категория 10 |
4-ФМ, 16-КАМ; 15 |
27952; 1 |
14,4 |
Категория 11 |
4-ФМ; 5 |
3630; 2 |
0,9 |
Категория 12 |
4-ФМ; 5 |
3630; 1 |
1,8 |
Категория 13 |
4-ФМ, 16-КАМ, 64-КАМ; 15 |
35280; 1 |
17,6 |
Категория 14 |
4-ФМ, 16-КАМ, 64-КАМ; 15 |
42192; 1 |
21,1 |
Категория 15 |
4-ФМ, 16-КАМ; 15 |
23370; 1 |
MIMO – 23,4 |
Категория 16 |
4-ФМ, 16-КАМ; 15 |
27952; 1 |
MIMO – 28,0 |
Категория 17 |
4-ФМ, 16-КАМ, 64-КАМ; 15 |
35280; 1 |
17,6 |
4-ФМ, 16-КАМ; 15 |
23370; 1 |
MIMO – 23,4 |
|
Категория 18 |
4-ФМ, 16-КАМ, 64-КАМ; 15 |
42192; 1 |
21,1 |
4-ФМ, 16-КАМ; 15 |
27952; 1 |
MIMO – 28,0 |
В Rel.7 предусмотрена возможность постепенного изменения структуры сети на пути от UTRAN к LTE (Long-Term Evolution) – рис.1.4 [3].
Рис.1.4. Изменение архитектуры сети от Rel.6 до Rel.8
Как было сказано, архитектура LTE в Rel.8 предусматривает упрощение структуры сети до двух элементов: шлюза доступа (a-GW) в ядре сети и модифицированного узла базовых станций eNodeB. Access Gateway (a-GW) содержит ПО протокольного уровня MME (Mobility Management Entity) и ПО пользовательской плоскости шлюза. В рассматриваемой архитектуре сети существенно снижается задержка при передаче пакетного трафика. В Rel.7 предусмотрен последовательный переход от Rel.6 к Rel.8. На первом этапе в пользовательской плоскости устраняют буферизацию трафика в SGSN: через него проходит сквозной туннель от GGSN к RNC. Далее функции контроллера на уровнях RLC и MAC обработки пакетного трафика передают в NodeB, где и происходит принятие решения о выделении канального ресурса и организации пакетной передачи с использованием технологий HSPA.
E-UTRA – эволюция 3GPP UMTS. E-UTRA включает в себя сеть радиодоступа E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) и новую системную архитектуру Evolved Packet Core (EPC). Полное описание структуры сети и принципов ее функционирования приведено в [9].
E-UTRAN построена как совокупность новых базовых станций eNB (E-UTRAN NodeB или eNodeB), где соседние eNB соединены между собой интерфейсом Х2. eNB подключены к EPC посредством интерфейса S1.На рис.1.5 показано взаимодействие новых элементов сети: S-GW (Serving Gateway) – обслуживающих шлюзов, содержащих ПО управления по протоколу ММ (MME – Mobility Management Entity), с eNodeB
.
Рис.1.5. Взаимодействие eNB с сетью и обслуживающими шлюзами
В сети радиодоступа радиоинтерфейс между UE и eNB осуществлен на основе технологии OFDM. Работа EPC основана на технологии IP; при этом обеспечено взаимодействие с 3GPP, WiMAX и Wi-Fi. Такую структуру относят к All-IP Network (AIPN). В результате создана архитектура сети, позволяющая увеличить скорости передачи данных, уменьшить задержки, поддерживать различные технологии радиодоступа, включая MIMO. Полученный стандарт получил название LTE (Long Term Evolution).