Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы мобильных сетей LTE. Учебно-методическое пособие
.pdf
()=
∑
∙
∙
/
∙
. (3)
5. Для генерации шумов (искажений сигнала) в радиоканале,
воспользуйтесь формулами (4) и (5). Тем самым, вы добавляете шумы к
реальной и мнимой составляющей полезного сигнала и получаете искаженный
сигнал Signal_Plus_Noise.
=
∙∙
.∙
, (4)
__()=
() + ∙ cos2 ∙ (1)∙−2 ∙ ln(1) + ∙ ∙ cos (2∙
(1) ∙−2 ∙ ln(1)). (5)
6. Сымитируйте прием зашумленного сигнала, выполнив прямое
быстрое преобразование Фурье (ПБПФ), как показано ниже (6). В результате
должен получиться массив значений QPSK
∑
∙
__() ∙
=
/
Noisy
.
∙
∙
/
. (6)
7. Выполнив прямое БПФ (п. 6), вы получаете массив комплексных
значений, несущих заданную битовую последовательность. Для получения
битовых значений требуется выполнить сравнение реальной (Re) и мнимой (Im)
частей этих комплексных чисел с нулем, чтобы понять в какой четверти
находится точка сигнального QPSK-созвездия, как показано на рисунке 4.
Im
0001
Если реальное и мнимое
значение полученного
сигнала больше 0, то
передавалось «00»
Re
11
Рис. 4. Демодуляция QPSK-сигнала
8. Выполнив демодуляцию QPSK-сигналов на каждой поднесущей,
необходимо провести побитовое сравнение исходной и полученной битовой
10
11
последовательностей для того, чтобы определить вероятность битовой ошибки
BER. Все описанные выше операции осуществляются для всех заданных выше
значений SNR, а затем строится зависимость BER(SNR), как показано на
рисунке 5.
Рис. 5. Зависимость вероятности битовой ошибки при передаче OFDM-сигнала
с QPSK-модуляцией поднесущих от отношения сигнала к шуму
9. Составьте отчет. Отчет должен содержать титульный лист,
содержание, цель и задачи лабораторной работы, теоретические сведения,
исходные данные, этапы выполнения работы, сопровождаемые скриншотами и
алгоритмами программы, и графиками, демонстрирующими успешность
выполнения, ответы на контрольные вопросы, и заключение.
4. Контрольные вопросы и задания
1. Постройте зависимость вероятности битовой ошибки от отношения
сигнала к уровню шума SNR для BPSK и QAM16 модуляций. Сравните
полученные результаты.
2. Для чего используется ОБПФ при формировании OFDM-сигнала в
блоке передатчика?
3. Какими преимуществами обладает технология OFDM по сравнению
с FDM?
4. В каких беспроводных технологиях используется OFDM?
5. Какой вид имеет спектр OFDM сигнала и как его получить?
6. Чем отличается OFDM от OFDMA?
7. Что такое SC-FDMA, и какими преимуществами обладает этот
метод формирования сигнала?
8. Какие режимы MIMO используются в LTE-сетях?
12
Лабораторная работа № 2. Изучение MAC-протокола сетей LTE
1. Цель работы
Получить представление об основных функциях, реализуемых MACпротоколом сетей LTE, а также познакомиться с базовыми методами
динамического распределения ресурсов радиоинтерфейса между
пользователями (Scheduler).
2. Краткие теоретические сведения
Мобильные сети LTE могут предоставлять своим абонентам
одновременно различные виды сервисов, с разными требованиями к скоростям
передачи данных, к времени задержки и пр. Функция, отвечающая за
управление радиоресурсами в LTE, называется «Планировщик» (Scheduler) и
реализуется на подуровне управления доступом к среде MAC (Medium Access
Control). Важно отметить, что планировщики не стандартизованы, то есть в
спецификациях [7] нет рекомендаций по реализации вендорами алгоритмов
распределения радиоресурсов (vendor-dependent или vendor-specific).
Ключевыми показателями эффективности планировщиков считаются
пропускная способность и вероятность блокировки каналов управления.
В данной лабораторной работе требуется разработать имитационную
модель планирования радиоресурсов. Существует несколько подходов к
распределению радиоресурсов в сетях LTE, на основе которых производители
оборудования строят собственные решения:
Round Robin («по очереди»). Этот метод разделения ресурсов
подразумевает, что всем пользователям, претендующим на ресурсы
радиоканала, будут назначаться ресурсные блоки по очереди, не
учитывая их радиоусловия и требования к качеству обслуживания QoS
(Quality of Service). К преимуществам метода можно отнести
справедливость в распределении ресурсов, но его недостатком
является низкая пропускная способность сети и неудовлетворения
параметрам QoS.
Maximum Carrier/Interference (или Maximum CQI (Channel Quality
Indicator)). Данный подход предполагает выделение ресурсов в первую
очередь абонентам, находящимся в лучших радиоусловиях, что
несправедливо по отношению к абонентам в плохих условиях,
особенно при высокой нагрузке на сеть. Однако именно данный
подход максимизирует пропускную способности соты.
Proportional Fair. Этот метод более компромиссный по сравнению с
перечисленными выше. Путем введения специальных весовых
коэффициентов есть возможность учесть и текущую скорость
передачи данных пользователя, и его радиоусловия, и требования к
QoS.
Ресурсы, которые делятся между абонентами в нисходящем канале – это
совокупность поднесущих и временных символов, объединенных в ресурсные
13
блоки (один ресурсный блок, минимально выделяемый абоненту – это 12
поднесущих и 14 OFDM-символов во времени = 1 мс). Для того чтобы
уведомить абонента о том, что ему назначен ресурсный блок, используется
канал управления PDCCH (Physical Downlink (DL) Control Chanel), который
«ворует» от 1 до 3 OFDM-символов канала трафика в начале каждой
милисекунды или слота (TTI). В LTE (как и во многих других технологиях
множественного доступа, таких как, например, GSM) существует проблема,
известная как «blocked PDCCH», т.е. блокировка каналов трафика PDSCH
(Physical DL Shared Channel), обусловленная отсутствием свободных каналов
управления. Речь идет о ситуации, когда имеются в достаточном количестве
ресурсы для передачи данных, поступают запросы от абонентских станций на
выделение ресурсов, но нет свободного канала управления, в котором
планировщик мог бы сообщить о назначении этих ресурсов пользователям.
Ключевым достоинством технологии LTE считается ее
масштабируемость (scalability), заключающаяся в том, что оператор может
развернуть сеть LTE в полосе частот шириной от 1.4 до 20 МГц, практически в
любом лицензируемом диапазоне, а также в режиме TDD (Time Division
Duplex) или FDD (Frequency Division Duplex), то есть либо в неспаренной
полосе частот, либо в двух спаренных полосах частот (одна под UL, другая под
DL), в зависимости от имеющейся лицензии. При временном разделении
восходящего и нисходящего каналов TDD одна полоса частот (например, 20
МГц) делится по очереди между передачей в направлении вниз DL и вверх UL.
Количество временных слотов под UL и DL в режиме TDD конфигурируется
оператором и не меняется динамически, чтобы избежать неконтролируемой
интерференции между восходящим и нисходящим каналами. В таблице 2
представлен сравнительный анализ технологий TDD и FDD, перечислены
основные достоинства и недостатки.
Табл. 2. Сравнение технологий TDD и FDD
Показатель FDD TDD
Частотный
спектр
«-» требуется две полосы
частот
«+» нужна всего одна
неспаренная полоса
частот (дешевле
лицензия)
Эффективность
использования
спектра
«-» как правило, UL менее
загружен, чем DL, а полоса
частот, выделяемая под него,
такая же. То есть КПД UL
невысок
«+» Есть возможность
сконфигурировать
соотношение между UL
и DL так, чтобы
обеспечить
максимальную загрузку
обоих каналов
Пропускная
способность
«+» Сравнивая 20+20 МГц в
FDD и 20 МГц в TDD,
безусловно, скорость передачи
данных будет выше в FDD
«-» высокие затраты на
управление ресурсами
(overheads) приводят к
общему снижению
14
«+» Сравнивая 10+10 МГц в
FDD и 20 МГц в TDD, скорость
передачи данных в конкретном
пропускной способности
по сравнению с режимом
FDD
направлении будет зависеть от
того как сконфигурированы
каналы в TDD, но при их
симметрии в TDD скорость
будет ниже, за счет больших
затратах на управление
(overheads)
Аппаратная
реализация
«-» При реализации приемо-
передатчика требуются
сложные и дорогостоящие
дуплексные фильтры для того,
чтобы избавиться от помех
«+» Не требуются
дуплексные фильтры,
ставится обычный ключ,
переключающийся
между приемной и
передающей антеннами
(дешевле)
В рамках данной лабораторной работы нас будет больше интересовать
режим FDD. Частотно-временная структура радиоинтерфейса LTE в режиме с
частотным разделением восходящего и нисходящего каналов FDD
представлена на рисунке 6. Вся ось времени разбивается на кадры
длительностью 10 мс, каждый из которых в свою очередь делится на 10
субкадров по 1 мс или TTI (Time Transmission Interval). Каждый TTI состоит из
2 слотов по 0,5 мс.
Слот=0.5мс Слот=0.5мс
Частота, кГц
. . . . .
PRB
1 поднесущая = 15 кГц
1 OFDM-символ = 1 ресурсный элемент
Один ресурсный блок
(12 поднесущих и 7 OFDM
символов=0.5 мс) - RB
. . . . .
. . . . .
180 180
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 мс=1 субкадр=1 TTI
Кадр 10 мс
Рис. 6. Частотно-временная структура радиоинтерфейса LTE (FDD)
15
Время, мс
Одним ресурсным блоком RB (Resource Block) называется совокупность
7 OFDM-символов (или ресурсных элементов) при условии, что используется
нормальный, а не расширенный циклический префикс (встроенный LTEмеханизм для борьбы с межсимвольной интерференцией, вызванной
многолучевым распространением сигнала), и 12 ортогональных поднесущих с
разносом по частоте в 15 кГц.
Два последовательных по времени ресурсных блока называются
физическим ресурсным блоком PRB (Physical Resource Block) и являются
минимальной порцией ресурса, выделяемого абоненту в случае необходимости.
Для того чтобы назначить определенную часть ресурса (номер ресурсного
блока, схему модуляции и кодирования MCS) планировщик использует
элементы канала управления (Control Channel Elements – CCE) с различными
уровнями агрегирования (от 1 до 8). Один CCE состоит из 36 OFDM-символов.
Уровень агрегирования CCE (или количества выделяемых пользователю CCE)
определяется радиоусловиями абонента. Чем хуже радиоусловия (SINR), тем
выше степень избыточности кодирования и тем больше ему требуется
элементов канала управления. Количество CCE определяется шириной полосы
(1.4, 3, 5, 10,15 или 20 МГц).
На рисунке 7 показан пример распределения ресурсов планировщиком
базовой станции между абонентами в зависимости от их радиоусловий (CQI).
Порядок назначения ресурсов пользователям определяется алгоритмом
планировщика (например, самый высокий приоритет могут получать абоненты,
находящиеся в лучших радиоусловиях, либо те, у кого выше требования к
времени задержки пакетов).
Пример распределения элементов канала
DL PRB
Полоса частот, кГц
CCE для UL
CCE для UE4
CCE для UE4Неиспользованный CCE
DL PRB
DL PRB
CCE для UE3
CCE для ULCCE для UL
CCE для UE3
. . .
DL PRB
1.4 МГц (6 ресурсных блоков)
CCE для UE2
CCE для UL
PDCCH
1 мс=1 субкадр=1 TTI
DL PRB
DL PRB
PDSCH
CCE для UE3
CCE для UE3
- CCE – Control Channel Element (Элемент канала управления);
- DL – Downlink (Нисходящий канал);
- PDSCH – Physical DL Shared Channel (Физ.нисход. разделяемый канал);
- UL – Uplink (Восходящий канал);
- CQI – Channel Quality Indicator (Индикатор качества канала);
- PRB – Physical Resource Block (Физический ресурсный блок).
управления между пользователями в
зависимости от качества радиоканала CQI
UE CQI Число CCE
2 14 1
4 10 2
1 3 8
3 8 4
Время, мс
Рис.7. Пример распределения элементов канала управления CCE между
абонентами UE в зависимости от радиоусловий
16
В случае если планировщик исчерпал все CCE-ресурсы, не распределив
весь запрашиваемый абонентами канал трафика, можно говорить о
заблокированном канале трафика по причине нехватки канала управления.
Очевидно, что нехватка канала управления оказывает существенное
влияние на пропускную способность сети, которую можно определить, как:
Относительная пропускная способность=
Количество выделенного ресурса
Количество запрашиваемого ресурса
.
Относительная пропускная способность – это, по сути, фактически
выделенная доля распределенных ресурсов абонентам из всех имеющихся.
Максимальное количество запрашиваемого ресурса – это 100%.
Помимо функции распределения ресурсов на MAC-подуровне
выполняется упаковка транспортных каналов в физические и повторная
передача ресурсных блоков HARQ (Hybrid Automated Repeat reQuest). HARQ –
это механизм пересылки PRB, инициируемый проверкой контрольной суммы
блока CRC-бит (Cyclic Redundancy Check). Отношение количества ресурсных
блоков, полученных с ошибкой, к общему количеству переданных ресурсных
блоков называется вероятностью блоковой ошибки BLER (Block Error Rate). На
рисунке 8 показаны два способа подсчета BLER – по первой квитанции
(квитанция – это сообщение о том, успешно или неуспешно получен блок
данных) или по совокупности повторных передач одного и того же блока
(механизм Soft Combining, реализуемый в рамках HARQ).
BLER
1-Й
PRB
=
1st
NACK
NACK
=1 BLER
2-Й
PRB
SoftCombGain
=
NACK
NACK+ACK
Время
=0.5
Рис.8. Пример вычисления вероятности блоковой ошибки BLER с учетом и без
учета выигрыша от комбинирования повторно переданного пакета HARQ
Очевидно, что без учета выигрыша за счет использования механизма
HARQ вероятность блоковой ошибки возрастает (в примере на рисунке 8 она
равна единице).
Вероятность блоковой ошибки BLER используется в LTE для оценки
качества радиоусловий как независимое измерение, а также для вычисления
значений CQI (Channel Quality Indicator).
CQI – это индикатор качества нисходящего канала, отправляемый
мобильными терминалами на основании измерений SNR и вычисления
значения BLER. На рисунке 9 показан пример определения CQI.
17
Рис.9. Определение значения CQI, исходя из измеренного значения SNR и
вычисленного BLER
В таблице 3 приведено соответствие между значениями CQI,
отправляемыми пользователями, видом модуляции и спектральной
эффективностью, взятое из спецификаций 3GPP.
Табл. 3. Сопоставление значений CQI, типов модуляции и кодирования
CQI Модуляция Спектральная
эффективность
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
- QPSK 0.1523
QPSK 0.2344
QPSK 0.3770
QPSK 0.6016
QPSK 0.8770
QPSK 1.1758
16QAM 1.4766
16QAM 1.9141
16QAM 2.4063
18
CQI Модуляция Спектральная
эффективность
10
11
12
13
14
15
64QAM
64QAM 3.3223
64QAM
64QAM 4.5234
64QAM 5.1152
64QAM 5.5547
2.7305
3.9023
Спектральная эффективность – это эффективность использования
спектра, показывающая количество бит, переданных за одну секунду в 1 Герце
полосы частот. Зная спектральную эффективность, можно приближенно
определить пропускную способность, достижимую технологией. Например,
при спектральной эффективности 5.5547 бит/с/Гц и ширине полосы частот 20
МГц пропускная способность будет равна 5.5547*20*106=111 Мбит/с.
Безусловно, это очень грубый расчет, так как из 20 МГц в LTE в
действительности используется лишь 18 МГц полосы. Кроме того, данный
расчет не учитывает влияние MIMO и прочих механизмов, увеличивающих
спектральную эффективность.
Измерения SNR и SINR выполняются мобильными устройствами на
поднесущих и временных символах, содержащих опорные сигналы RS
(Reference Signals). Однако стандартами 3GPP не регламентируются жестко
правила измерений. В частности, не говорится, в какой полосе частот
выполнять измерения (нужно ли измерять всю полосу частот или достаточно
лишь нескольких поднесущих), и сколько временных символов нужно
промерить, чтобы выполнить адекватное усреднение полученного SNR.
3. Задание для выполнения лабораторной работы
В рамках данной лабораторной работы студентам предлагается
разработать алгоритм, программно реализовать имитационную модель
планировщика MAC-протокола LTE в среде MathCad (или Octave при
отсутствии лицензии на MathCad) и исследовать зависимости вероятности
блокировки канала трафика и относительной пропускной способности от
величины входной нагрузки.
Порядок выполнения работы (2 варианта):
Исходные данные
– Технология LTE;
– DL нисходящий канал;
– Дуплексирование UL и DL – FDD;
– использование MIMO – по варианту;
– ширина полосы – 10 МГц (50 ресурсных блоков PRB);
19
– используемые схемы модуляции и кодирования MCS зависят от
значений CQI=3 (1500 м от БС); 6 (1000 м от БС); 9 (500м от БС);12 (120
м от БС); 15 (50 м от БС);
– Число активных абонентов в соте – 20;
– Радиус соты – 1,5 км;
– BLER – по варианту;
– Тип трафика абонентов – мультисервисный;
– Уровни агрегирования CCE – 1/2/4/8;
– Доля CCE для назначения канала PDSCH (нисходящий канал) – 2/3;
– Тип MAC-планировщика – по варианту.
Рассматривается одна сота LTE (рисунок 9), внутри которой абоненты
распределены равномерно. В зависимости от удаленности от антенны (базовой
станции) варьируются радиоусловия пользователей – чем дальше абонент, тем
хуже канал связи, тем ниже порядок требуемой ему схемы модуляции и
кодирования MCS для передачи данных (тем меньше индекс CQI).
Уровень мощности
сигнала базовой
станции, дБм
CQI=15
CQI=12
CQI=9
CQI=6
Рис. 9. Пример распределения абонентов внутри соты в различных
радиоусловиях, отражаемых соответствующими значениями CQI
Необходимо сгенерировать поток данных, скачиваемых абонентами в
нисходящем канале. Задача планировщика каждую миллисекунду распределять
имеющийся частотно-временной ресурс канала PDSCH между заявками,
поступающими в буфер, по указанному в задании алгоритму, оповещая
абонентов о назначении ресурсного блока с помощью элементов канала
управления CCE.
1. Разработайте детальный пошаговый алгоритм распределения
радиоресурсов в мобильных сетях LTE. Если ваш порядковый номер в журнале
четное число (Вариант 1), то вам необходимо реализовать алгоритм Round Robin
с поддержкой MIMO 2x2 в режиме пространственного мультиплексирования
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]