Основы проектирования защищенных телекоммуникационных систем
..pdf251
В отличие от радиоинтерфейса Downlink, где информация одного пользователя может передаваться на разных поднесущих, в Uplink данные каждого пользователя передаются в одной полосе частот, причем в одно и то же время. Однако это не означает, что информационные потоки накладываются друг на друга и необратимо искажаются. Это обеспечивается благодаря использованию множественного доступа с частотным разделением с единственной несущей частотой SC-FDMA (Single Carrier Frequency Devision Multiple
Access). Рассмотрим основные принципы работы SC-FDMA – модулятора.
Рис. 3.100. SC-FDMA – модулятор
Первым этапом исходная информационная последовательность, предназначенная для передачи от абонента, преобразуется в частное представление с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ). Далее, в зависимости от скорости потока от данного абонента,
сеть выделяет UE (МС) несколько поднесущих, среди которых распределяются преобразованный поток. Те поднесущие, которые используют другие пользователи не занимаются в данном абонентском терминале, а соответствующие поднесущие перемножаются с «0». После обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ)
модулированные потоки объединяются и переводятся обратно во временную область. Не смотря на то, что данные передаются от разных устройств в сети в одно и то же время в одной и той же полосе частот, на приемной стороне после обратных сказанным выше процедур, можно выделить информационные потоки от отдельных UE (МС).
Благодаря использованию SC-FDMA в системе LTE удалось достигнуть трехкратного увеличения спектральной эффективности на линии «вверх», по сравнению с сетями 3G.
Логические каналы на радиоинтерфейсе в LTE
Одной из важнейших составляющих радиоинтерфейса любой подвижной системы связи,
которая обеспечивает заданные характеристики ее работы, является структура логических,
транспортных и физических каналов. Рассмотрим логические параметры сети связи LTE.
252
Рис. 3.101. Логические каналы LTE
Логические каналы подразделяются по типам передаваемой информации на каналы управления и на трафиковые каналы.
К каналам управления относятся:
– вещательный канал управления – служит для передачи системной служебной информации в Downlink.
– пейджинговый канал управления – предназначен для передачи пейджинговых сообщений к UE (МС) от eNodeB (БС).
Channel) – многопользовательский канал управления – необходим для передачи служебной информации одновременно к нескольким абонентским устройствам.
– выделенный канал управления – служит для передачи служебной информации между конкретным абонентским устройством и сетью.
– общий канал управления – предназначен для обмена служебной информацией между UE (МС) и сетью в процедурах начального доступа
UE (МС) в сеть до организации выделенного канала.
К трафиковым каналам относятся:
– выделенный трафиковый канал – основной канал для передачи пользовательских данных между одним конкретным UE (МС) и сетью.
– многопользовательский трафиковый канал – служит для передачи широковещательной трафиковой информации. Хорошим примером использования этого канала может служить трансляция радио или ТВ-программ.
Транспортные каналы на радиоинтерфейсе в LTE
На радиоинтерфейсе в сети стандарта LTE применяется стек каналов для передачи данных между абонентским терминалом и сетью. Низший уровень в этом стеке образуют
253
физические каналы. По ним передаются транспортные, которые в свою очередь несут логические каналы.
Рис. 3.102. Транспортные каналы LTE
Рассмотрим виды транспортных каналов на радиоинтерфйсе сети стандарта LTE. Все транспортные каналы можно классифицировать по направлению передачи: Uplink (от UE (МС) к eNodeB (БС)) и Downlink (от eNodeB (БС) к UE (МС)).
К транспортным каналам в Downlink относятся:
el) – широковещательный канал.
– канал для пейджинга.
-SCH (Downlink Shared Channel) – общий канал для передачи данных вниз.
–многопользовательский канал.
Ктранспортным каналам в Uplink относятся:
–канал случайного доступа.
-SCH (Downlink Shared Channel) – общий канал для передачи данных вверх.
Как было сказано выше, транспортные каналы передаются в логических каналах. На рисунке ниже представлена связь между логическими и транспортными каналами в LTE.
Рис. 3.103. Связь логических и транспортных каналов
254
Физические каналы на радиоинтерфейсе в LTE
Информация между UE (МС) и eNodeB (БС) передается не произвольным образом, а
через четко организованную структуру каналов. Рассмотрим классификацию, виды и назначение физических каналов в сети LTE.
Рис. 3.104. Физические каналы LTE
Физические каналы можно классифицировать по направлению передачи информации:
Downlink и Uplink.
К физическим каналам в Downlink относятся:
PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) - физический распределенный канал в направлении «вниз» - служит для высокоскоростной передачи мультимедийной информации.
PDCCH (Physical Downlink Control Channel) – физический канал управления в направлении «вниз» - предназначен для передачи информации для управления конкретным
UE (МС).
CCPCH (Common Control Physical Channel) – общий физический канал управления –
необходим для передачи общей для всех информации.
К физическим каналам в Uplink относятся:
PRACH (Physical Random Access Channel) – физический канала произвольного доступа – служит для первичного доступа в сеть.
PUCCH (Physical Uplink Control Channel) – физический канал управления в направлении «вверх» - необходим для передачи служебной информации от конкретной UE (МС) к eNodeB (БС).
PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) – физический распределенный канал в направлении «вверх» - предназначен для высокоскоростной передачи данных в Uplink.
Связь между транспортными и физическими каналами представлена на рисунке ниже.
255
Рис. 3.105. Связь физических и транспортных каналов
Основные параметры LTE
|
Таблица 3.16. Основные параметры LTE |
|
|
Название параметра |
Параметр |
|
|
Uplink (UL): восходящее соединение |
|
|
SC-FDMA |
|
|
Downlink (DL): нисходящее соединение |
OFDMA |
|
|
Ширина частотного диапазона, МГц |
1,4; 3, 5; 10; 15; 20 |
|
|
Минимальный интервал между кадрами, |
1 |
мс |
|
|
|
Шаг (частотный интервал) между |
15 |
поднесущими, кГц |
|
|
|
|
4,7 |
Стандартная длина префикса CP, мкс |
|
|
|
Увеличенная длина префикса CP, мкс |
16,7 |
|
|
Схемы модуляции (Uplink) |
BPSK, QPSK, 8PSK, 16QAM |
|
|
|
|
|
|
256 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Схемы модуляции (Downlink) |
|
|
|
|
|
|
QPSK, 16QAM, 64QAM |
|
|
|
|
|
||
Пространственное мультиплексирование |
|
Один канал для Uplink-трафика на |
||
|
каждый абонентский терминал; До 4 каналов |
|||
|
для |
Downlink-трафика |
на |
каждый |
|
абонентский терминал; MU-MIMO с |
|||
|
поддержкой для восходящего (Uplink) и |
|||
|
нисходящего (Downlink) соединений |
|
||
|
|
|
|
|
Практическая реализация
Как было сказано выше, на практике будет реализован канал Downlink системы мобильной связи стандарта LTE. Структура данного канала представлена на рисунке 3.106 [25].
Рис. 3.106. Канал Downlink LTE Simulink MATLAB 2015b
257
Рассмотрим более подробно данный канал.
Рис. 3.107. Разделение исходного потока бит на параллельные потоки
Кодирование помехоустойчивым кодом, в процессе которого значительно увеличивается число символов в отдельных потоках. В данной схеме используется код CRC.
Каждый отдельный параллельный поток кодируется данным кодом с заданным полиномом.
Рис. 3.108. Кодирование помехоустойчивым кодом
Рис. 3.109. Параметры CRC кодера
258
Манипуляция выбранным в данный конкретный момент способом модуляции. В
канале Downlink используются методы манипуляции: QPSK, 16QAM, 64QAM. Далее перемножение полученной последовательности каждого потока на свою поднесущую и БПФ
(так называемая OFDM – модуляция). Где в результате получаем один сложный сигнал.
Рис. 3.110. Манипуляция выбранным в данный конкретный момент способом модуляции
Структура этого блока имеет следующий вид:
Рис. 3.111. Квадратурная манипуляция и получение OFDM символов
Передача в эфир. Для этого используется технология MIMO 2х2 или 4х4
приемных/передающих антенн. Где один общий поток (сигнал) разделяется на 2 потока (2х2
антенна) или 4 потока (4х4 антенна).
Рис. 3.114. Передача в эфир
259
Рис. 3.111. Характеристики блока БГШ (AWGN)
Далее подпотоки MIMO объединяются в один поток, который приходит на мобильную станцию под воздействием помех.
Далее мобильная станция производит обратные преобразования, реализованные выше, а
именно, получаем паралельные потоки. Потом производится обратное быстрое преобразование Фурье (ОБПФ). Затем производится демодуляция.
Рис. 3.113. Паралельные потоки-ОБПФ-демодуляция
Схема, входящая в данный блок:
Рис. 3.114. Паралельные потоки-ОДПФ-демодуляция
260
Далее производится декодирование по соответствующему алгоритму CRC:
Рис. 3.115. Декодирование CRC
Рис. 3.116. Характеристики декодера CRC
После декодирования производится преобразование параллельных потоков в один исходный поток: