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).

1

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

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].

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

.

4

eNB

MME / S-GW MME / S-GW

eNB

eNB

S1

S1

X2 E-UTRAN

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).

2. Структура сети LTE

Задачей технологии LTE является создание архитектуры пакетного радиодоступа для сетей сотовой связи и беспроводного доступа на уровне стандарта WiMAX.

Архитектура E-UTRAN представлена на рис. 2.1 [10]. Она включает в себя ядро пакетной сети EPC (Evolved Packet Core), модернизированные eNB и интерфейсы S1 и X2.

Рис. 2.1. Базовая архитектура сети E-UTRAN

EPC состоит из шлюзов доступа, которые для обслуживаемых ими eNB и абонентских устройств становятся S-GW (Serving Gateway). eNB аккумулируют функции существующих Node B и контроллеров RNC, касающиеся обработки пакетного трафика и выделения канального ресурса. В E-UTRAN выдержан принцип логического разделения транспортных сетей передачи данных и сигнализации. Стек протоколов плоскости управления интерфейса S1: S1-MME

5

(Mobility Management Entity) приведен на рис.2.2а, а стек протоколов в пользовательской плоскости (туннельный протокол на уровне L2) на рис.2.2б.

a) б)

Рис.2.2. Интерфейс S1

Подуровни L2 SCTP (Stream Control Transmission Protocol) и IP поддерживают стандартный транспорт для передачи сигнальных сообщений. В частности, SCTP обеспечивает надежность передачи и последовательность доставки сообщений.

Аналогичным образом построен и интерфейс Х2 (рис.2.3).

Рис.2.3. Интерфейс Х2

6

Структура сети LTE приведена на рис.2.5. Ядро сети EPC (Evolved Packet Core) (рис.2.5) состоит из обслуживающего шлюза S-GW (Serving Gateway), шлюза для выхода на пакетные сети P-GW (Packet Data Network Gateway), структуры управления по протоколу Mobility Management MME (Mobility Management Entity), связанной с S-GW и eNodeB сигнальными интерфейсами. На рис. 2.5 соединения для передачи данных показаны толстыми линиями, сигнальные соединения – тонкими сплошными. Пунктиром обозначены сигнальные соединения к опциональным функциональным узлам: другим MME и PCRF (Policy and Charging Resource Function). MME имеет прямой выход на домашний сервер HSS (Home Subscribe Server), выполняющий функции HLR, EIR сетей GSM/UMTS.

Рис.2.5. Структура сети LTE

Рассмотрим взаимодействие узла базовых станций eNB с элементами ядра сети LTE [10]. eNB объединяет в себе функции базовых станций и контроллеров сетей 3-го поколения:

- обеспечивает передачу трафика и сигнализации по радиоканалу,- управляет распределением радиоресурсов,- обеспечивает сквозной канал трафика к S-GW,

- поддерживает синхронизацию передач и контролирует уровень помех в соте,- обеспечивает шифрацию и целостность передачи по радиоканалу,- выбирает MME и организует сигнальный обмен с ним,- производит сжатие заголовков IP-пакетов,- поддерживает услуги мультимедийного вещания,- при использовании структуры с усилителями мощности на антенной мачте

организует управление антеннами по специальному интерфейсу Iuant.

Интерфейс S1, как показано на рис.2.5, поддерживает передачу данных с S-GW и сигнализации через ММЕ. Отметим, что eNB может иметь соединения с несколькими S-GW (рис.1.5).

7

Интерфейсы X2 используют для организации хэндоверов между соседними базовыми станциями, в том числе и при балансировке нагрузки между ними. При этом интерфейсы Х2 могут быть логическими, т.е. для их организации не обязательно реальное физическое соединение между eNB.

В функции обслуживающего шлюза S-GW входит:

- маршрутизация передаваемых пакетов данных,- установка качественных показателей (QoS) предоставляемых услуг,- буферизация пакетов для UE, пребывающих в состоянии Idle Mode,- предоставление учетных данных для тарификации и оплаты выполненных

услуг.

S-GW является якорной структурой, обеспечивающей мобильность абонентов. Каждую работающую UE обслуживает определенный S-GW. Теоретически UE может быть связана с несколькими пакетными сетями; тогда ее будут обслуживать несколько серверов S-GW.

Шлюз для выхода на пакетные сети P-GW организует точку доступа к внешним IP-сетям. Соответственно P-GW является якорным шлюзом для обеспечения трафика. Если абонент имеет статический IP-адрес, то P-GW его активизирует. В случае, если абонент должен получить на время сеанса связи динамический IP-адрес, P-GW запрашивает его с сервера DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) или сам выполняет необходимые функции DHCP, после чего обеспечивает доставку IP-адреса абоненту. В состав P-GW входит PCEF (Policy and Charging Enforcement Function), который входит обеспечивает качественные характеристики услуг на внешнем соединении через интерфейс Sgi и фильтрацию пакетов данных. При обслуживании абонента в домашней сети функции P-GW и S-GW могут выполнять как два разных, так и одно устройство. Интерфейс S5 представляет собой туннельное соединение GPRS или Proxy Mobile Ipv6 [12]. Если P-GW и S-GW находятся в разных сетях (например, при обслуживании абонента в роуминге), то интерфейс S5 заменяют интерфейсом S8.

Управляющий блок ММЕ прежде всего поддерживает выполнение процедур протокола Mobility Management: обеспечение безопасности работы в сети при подключении UE и выбор S-GW, P-GW. ММЕ связан с HSS своей сети посредством интерфейса S6a. Интерфейс S10, соединяющий различные ММЕ, позволяет обслуживать UE при перемещениях абонента, а также при его нахождении в роуминге.

Policy and Charging Resource Function (PCRF) по сути представляет собой управляющий сервер, обеспечивающий централизованное управление ресурсами сети, учет и тарификацию предоставляемых услуг. Как только появляется запрос на новое активное соединение, эта информация поступает на PCRF. Он оценивает имеющиеся в его распоряжении ресурсы сети и направляет в PCEF шлюза P-GW команды, устанавливающие требования к качеству услуг и к их тарификации [13].

Сети E-UTRAN (LTE), как правило, строят во взаимодействии с действующими сетями с коммутацией пакетов стандартов GERAN/UTRAN. Структура интегральной сети GERAN/UTRAN/E-UTRAN показана на рис.2.6 В этой сети MME и SGSN связаны сигнальным интерфейсом S3, а трафик в подсеть GERAN/UTRAN следует через S-GW и PDN GW.

8

Рис.2.6. Интегральная сеть GERAN/UTRAN/E-UTRAN

В сети UTRAN на рис.2.6 показано прямое туннельное соединение в пользовательской плоскости между S-GW и RNC посредством интерфейса S12. Такое соединение возможно при использовании в сети UTRAN оборудования Rel.7 и последующих релизов. Возможно и непрямое соединение, когда передачу пакетов трафика осуществляют по двум последовательным туннелям S-GW ↔ SGSN, SGSN ↔ RNC.

Интерфейс S4 позволяет осуществлять межсистемный хэндовер, т.е. переключение в процессе передачи трафика UE из сети E-UTRAN в GERAN/UTRAN и обратно.

3. Физический уровень стандарта LTE3.1. Технология OFDM и выделение канального ресурса

Технологию OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – ортогональное частотное разнесение, используют для устранения межсимвольной интерференции в высокоскоростных радиоканалах. Вместо того, чтобы передавать n информационных символов цифрового информационного сигнала (ЦИС) на одной несущей частоте (рис. 2.1а), их передают одновременно на n поднесущих частотах, размещенных в полосе радиоканала (рис. 2.1б). Между символами вводят защитные промежутки такой длительности Tg , чтобы приходящие из-за многолучевого распространения радиоволн символы с запаздыванием не “наползали” на следующие. При этом длина каждого символа Tb увеличивается в сравнению с длительностью символа в исходной последовательности в nTb/(Tb+Tg) раз.

uцис(t)

n инф.символов

…

t

a)

u1 t

Tb Tg

9

u2 t

Tb

….

uk t

Tb

….

un t

Tb

б)

Рис. 2.1. Принцип технологии OFDM

Передача информационных символов по каналу связи представляет собой передачу комплексных чисел. Сигнальное созвездие при модуляции 16-КАМ представлено на рис. 2.2.

Рис.2.2. Созвездие сигнала 16-КАМСимвол Sk, передаваемый на k-той поднесущей, можно представить как

, где амплитуда символа

и фаза символа

.

В примере на рис. 2.2,

10

рад

В аналитическом виде сигнал OFDM представляет собой сумму гармоник:

(2.1)

Все поднесущие являются гармониками основной частоты F1: Fk = kF1, а частота F1 жестко связана с длительностью символа: F1 = 1/Tb. Следовательно на временном отрезке Tb укладывается k волн поднесущей часоты Fk . Каждый символ Sk можно рассматривать как дискретный отсчет спектра на поднесущей

Fk. Амплитуда k-той поднесущей ‒ а фаза ‒ При формировании сигнала

uOFDM используют процедуру обратного (быстрого) преобразования Фурье. На рис. 2.3 показаны поднесущие с частотами F1 и F2 и нулевыми начальными фазами на временном интервале Tb.

Рис.2.3. Две поднесущие на интервале 0 ‒ Tb

Главной проблемой при применении технологии OFDM является обеспечение высокого отношения сигнал/помеха в приёмнике. Формально при приёме сигналов n поднесущих должны работать n независимых приёмников. Однако спектры сигналов на расположенных рядом поднесущих наложены друг на друга (рис. 2.4). Поэтому приём сигнала OFDM и выделение отдельных символов осуществляют с использованием процедуры прямого (быстрого) преобразования

11

Фурье.

Рис.2.4. Спектр фрагмента OFDM-сигналаРассмотрим, как работает приёмник k-ой поднесущей. Он выполняет

процедуру прямого преобразования Фурье:

(2.2)

На частоте Fk = kF1

(2.3)

На любой другой поднесущей Fp

(2.4)

поскольку интеграл (площадь) синусоиды за время одного периода равен 0 (рис.2.5), а на интервале Tb уложено целое число │p-k│ периодов синусоиды.

0 t

Рис.2.5. К определению площади синусоиды

Следовательно, при точном выборе времени интегрирования помехи от сигналов других поднесущих равны 0. Однако, при вычислении интегралов (2.2)

необходимо запускать функции с нулевой начальной фазой, т.е.

обеспечить когерентный приём сигнала С этой целью eNB в

радиоканале вниз и UE в радиоканале вверх кроме информационных символов передают опорные символы, т.е. заранее известные комплексные числа С(n), принимая которые приёмник обеспечивает необходимую фазовую коррекцию и масштабирование амплитуд принятых сигналов. В канале вниз eNB→UE в качестве опорных символов используют символы сигнала 4-ФМ (рис. 2.6).

12

Рис.2.6. Созвездие сигнала 4-ФМ

В защитном интервале Tg между символами (рис.2.1) передают циклический префикс (CP – Cyclic Prefix) – конец следующего символа длительностью Tg (рис. 2.7).

Рис. 2.7. OFDM-символ с циклическим префиксом

Это делают для снижения внутрисимвольных помех (внутрисимвольной интерференции). Если бы циклического префикса не было, то при вычислении интеграла (2.2) запаздывающие лучи, пришедшие после начала интегрирования, укладывали бы на временном отрезке 0‒Tb, нецелое число периодов поднесущих. В результате появлялась бы ошибка при вычислении интеграла (2.3), а интегралы (2.4) не обращались бы в нуль. При передаче СР при запаздывании луча не более, чем на Tg, на интервале интегрирования Tb на любой поднесущей оказывается целое число её периодов и интегралы (2.4) равны нулю.

2.2. Канальный ресурс и его характеристики

На физическом уровне (на радиоинтерфейсе) в E-UTRAN используют технологию OFDM с модуляцией 4-ФМ, 16-КАМ и 64-КАМ. При этом число поднесущих частот в рабочей полосе 20 МГц составляет 1200.

Для взаимной синхронизации E-UTRAN и UTRAN используют тактирование с длительностью временной единицы Ts = 1/(15000×2048)c. Передача по радиоканалу идет кадрами длиной 10 мс, что составляет 307200 Ts. Кадр состоит из 20 временных слотов длиной 15360×Ts = 0,5мс, пронумерованных от 0 до 19. Два последовательных слота составляют 1 субкадр – всего 10 субкадров, от 0 до 9 рис.2.8. Различают 2 структуры кадров: кадры типа 1 при работе с частотным дуплексом (FDD) и кадры типа 2 при работе с временным дуплексом (TDD). На рис. 2.9. показаны структуры кадров с FDD и TDD.

13

1+j-1+j

1-j-1-j

Рис.2.8. Структура кадра LTE

Рис.2.9. Конфигурация кадра при частотном и временном дуплексе

При частотном дуплексе в каждом субкадре идет одновременная передача вверх (UL) и вниз (DL) в разных частотных полосах. При временном дуплексе в некоторых субкадрах идет передача вниз (D), в других вверх (U). Кроме того, есть специальные (переходные) субкадры (S),состоящие из трех полей: DwPTS – поля передачи вниз, UpPTS – поля передачи вверх и защитного интервала (GP). В сетях LTE согласно спецификациям возможны 7 конфигураций кадров при временном дуплексе (рис.2.10).

14

Рис.2.10. Конфигурации кадра при временном дуплексе

Так как число символов в поле вниз DwPTS специального субкадра гораздо больше количества символов в поле вверх UpPTS, то при оценке относительного времени передачи DL:UL на рис. 2.10 специальные субкадры относим к субкадрам передачи вниз.

В сетях LTE с временным дуплексом суммарная пропускная способность в рабочей полосе делится между потоками вниз и вверх в соответствии со сценариями на рис. 2.10. Это позволяет оператору менять конфигурацию кадра в зависимости от реальной картины трафика, который, как правило, асимметричен. Для сетей LTE с временным дуплексом выделены полосы частот в диапазоне от 1900 до 3800 МГц [1, гл. 3.2], что предполагает использование этого варианта дуплекса в микро, пико и фемтосотах.

При расстоянии между поднесущими ∆F = 15 кГц длина OFDM-символа составляет 1/∆F ≈ 66,7 мкс. В каждой половине субкадра (слоте длиной 0,5мс) передают 6 или 7 OFDM-символов в зависимости от длительности циклического префикса СР (cyclic prefix) ‒ активной паузы между символами. Длительность циклического префикса TCP составляет 160Тs ≈5,2 мкс перед первым символом и 144Тs ≈4,7мкс перед остальными символами. Возможен вариант использования расширенного СР длительностью 512Тs ≈16,7мкс. В этом случае в одном субкадре размещают 6-OFDM символов (рис.2.11).

Весь канальный ресурс разделяют на ресурсные блоки (РБ). Ресурсный блок состоит из 12 расположенных рядом поднесущих, занимающих полосу 180 кГц и одного временного слота (7 или 6 OFDM-символов на интервале 0,5 мс). Каждый OFDM-символ является ресурсным элементом (РЭ); его характеризуют 2 параметра {k,l}, где k определяет номер поднесущей, а l ‒ номер символа в ресурсном блоке. При передаче вниз, от eNB к UE, в каждом блоке из 12×7 = 84 РЭ часть ресурсных элементов используют для передачи опорных (reference)

15

символов (рис.2.12). Выделяемый канальный ресурс определяют числом ресурсных блоков или групп ресурсных блоков.

Рис.2.11. Структура слота на физическом уровне

Реальная скорость передачи данных уменьшается из-за передачи опорных символов и управляющих каналов. Опорные символы (CRS – Cell-specific Reference Signals) используют для организации когерентной демодуляции и оценки каналов. При работе нескольких передающих антенн каждой антенне выделены определенные РЭ для передачи опорных символов. Расположение CRS в ресурсном блоке при работе eNB с 4 антеннами показано на рис.2.13. В LTE передающим антеннам присваивают номера логических антенных портов. Символы, помеченные R0, передает порт 0, символы R1 – порт 1, R2 – порт 2, R3 – порт 3. Снижение пропускной способности ресурсного блока (в процентах) из-за передачи опорных символов приведено в табл. 2.1.

16

Рис.2.12. Структура ресурсного блока при передаче вниз

Рис.2.13. Позиционирование опорных символов в ресурсном блоке при передаче вниз

Таблица 2.1

Нормальный СР Расширенный СР

1 перед. антенна 4,76 5,56

2 перед. антенны 9,52 11,11

4 перед. антенны 14,29 15,87

При выделении канального ресурса вверх используют те же понятия ресурсного блока (12 поднесущих общей полосой 180 кГц в слоте), и субкадров длительностью 1 мс с 7 или 6 OFDM-символами в каждом слоте. Пример

17

распределения канального ресурса между разными абонентами (User) проиллюстрирован рис.2.14.

Рис.2.14. Распределение канального ресурса вверх

При передаче вверх используют модифицированную технологию OFDM, а фактически организуют передачу широкополосного сигнала на одной несущей. Цель данного метода состоит в том, чтобы уменьшить пик-фактор передаваемого сигнала, поскольку высокий пик-фактор является существенным недостатком технологии OFDM. С этой целью до формирования сигнала OFDM осуществляют прямое быстрое (дискретное) преобразование Фурье передаваемого сигнала (БПФ), после которого переходят к OFDM (рис. 2.15). Такая технология получила название БПФ-OFDM или SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division Multiple Access). Рассмотрим последовательность операций при передаче.

Рис.2.15. Генерация сигнала БПФ-OFDM

Массив символов { } передаваемого сообщения делят на сегменты размером MSC, где MSC – суммарное число поднесущих во всех выделенных вверх абоненту РБ (например, в 5 РБ MSC = 12×5 = 60). Далее над каждым сегментом из MSC символов производят ДПФ по формуле [9]

Полученные комплексные числа zk представляют собой MSC дискретных аналоговых отсчетов спектра одного сегмента передаваемого массива .{a0…aM-1}. Их размещают на поднесущих соответствующего OFDM-символа. После выполнения ОБПФ во время передачи данного OFDM-символа в канале фактически передают сигнал, представляющий собой последовательность символов данного сегмента. В результате пик-фактор OFDM-сигнала соответствует пик-фактору исходной последовательности.

18

При приеме сигнала SC-FDMA над ним производят операции, обратные тем, что были при передаче (рис. 2.16.). Для минимизации влияния на качество приема межсимвольной интерференции при передаче между символами после выполнения ОБПФ вставляют СР, а в приемниках SC-FDMA после блока ОБПФ используют эквалайзеры.

Рис.2.16. Прием сигнала DFTS-OFDM

В E-UTRA специфицированы 6 полос частот для развертываемых сетей (табл.2.2). В ней также приведено максимальное число ресурсных блоков в одном временном интервале при передаче вниз и полоса частот, вырезаемая приемником UE для обработки принятого сигнала (measurement bandwidth в [10]).

Таблица 2.2

Полоса частот (МГц) 1,4 3 5 10 15 20

Число ресурсных блоков 6 15 25 50 75 100

Полоса в приемнике (МГц) 1,08 2,7 4,5 9 13,5 18

3.2. Выделенные частотные диапазона для сетей LTE

Частотные диапазоны для сетей с частотным дуплексом приведены в табл. 3.5. При работе с временным дуплексом выделенные частоты приведены в табл. 3.6 [15].

Таблица 3.5

Номер

диапазона

Частоты передачи вверх (

)

UE → eNB (МГц)

Частоты передачи

вниз ( )

eNB → UE (МГц)

Разнос частот между каналами

вверх и вниз (МГц)

F мин – F макс F мин – F макс F – F

1 1920 – 1980 2110 – 2170 190

2 1850 – 1910 1930 – 1990 80

3 1710 – 1785 1805 – 1880 95

19

4 1710 – 1755 2110 – 2155 400

5 824 – 849 869 – 894 45

7 2500 – 2570 2620 – 2690 120

8 880 – 915 925 – 960 45

9 1749.9 – 1784.9 1844.9 – 1879.9 95

10 1710 – 1770 2110 – 2170 400

11 1427,9 – 1452,9 1475,9 – 1500,9 48

12 698 – 716 728 – 746 30

13 777 – 787 746 – 756 -31

14 788 – 798 758 – 768 -30

17 704 – 726 734 – 746 30

18 815 – 830 860 – 875 45

19 830 – 845 875 – 890 45

20 832 – 862 791 – 821 -41

21 1447,9 – 1462,9 1495,9 – 1510,9 48

23 2000 – 2020 2180 – 2200 180

24 1626,5 – 1660,5 1525 – 1559 - 101,5

25 1850 – 1915 1930 – 1995 80

Таблица 3.6

Номер диапазона

33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43

Частоты передачи

(МГц)

1900 -

1920

2010 -

2025

1850 -

1910

1930 -

1990

1910 -

1930

2570 -

2620

1880 -

1920

2300 -

2400

2496 -

2690

3400 -

3600

3600 -

3800

3.3. Обнаружение сети абонентской станцией

В начале сеанса связи UE должна обнаружить сеть. Для этого UE должна обеспечить синхронизацию с потенциальной базовой станцией и определить идентификатор соты. После этого UE читает канал системной информации, откуда берет необходимые сведения для посылки в сеть первого сигнала: преамбулы. В соответствии с [14] E-UTRAN поддерживает 504 различных идентификаторов сот, разделенных на 168 групп. В каждую группу входят 3 различные соты.

Сценарий поиска сети в определенной степени заимствован из стандарта UMTS [1]. Как и в UMTS, для определения идентификатора соты в направлении вниз передают 2 синхронизирующих сигнала: первичный PSS (Primary Synchronization Signal) и SSS (Secondary Synchronization Signal). Приняв PSS, UE обнаруживает сеть и синхронизируется с ней с точностью до половины кадра. Приняв SSS, UE синхронизируется с точностью до кадра и определяет

20

идентификатор соты. Идентификатор соты определяет формат передачи опорных сигналов (символов), что позволяет UE производить необходимые измерения. Далее UE читает сообщения канала BCCH системной информации и по каналу случайного доступа посылает запрос на доступ к сети – преамбулу.

Сигналы PSS и преамбулы построены на основе последовательностей Zadoff-Chu (ZC-последовательности) с циклическим сдвигом. Аналогичные последовательности используют и в качестве опорных сигналов при передаче вверх. Из каждой корневой ZC-последовательности X(u)

ZC можно получить m-1 циклически сдвинутых последовательностей со сдвигом на MZC/m, где MZC – длина корневой последовательности.

ZC-последовательности относятся к классу последовательностей CAZAC (Constant-Amplitude Zero-Auto-Correlation), обладающими следующими свойствами:

- постоянством амплитуды сигнала,

- нулевой взаимной корреляцией (кросс-корреляцией) одной и той же корневой последовательности при различных циклических сдвигах и некоторых разных последовательностей при определенных u.

ZC-последовательность представляет собой функцию

(3.1)

где u – индекс ZC-последовательности из всего возможного набора для данной длины MZC (рис.3.10). Число ZC-последовательностей длиной MZC равно количеству простых целых чисел от 0 до MZC. Очень часто длину МZC тоже берут равным простому целому числу. Здесь однако возникают проблемы согласования длины ZC-последовательности и числа символов в ресурсных блоках, которое как известно, кратно 12. Эту задачу решают либо путем усечения ZC-последовательности на 1 или более символов, либо с помощью циклического расширения на 1 или несколько символов. При этом корреляционные свойства полученных последовательностей ухудшаются незначительно.

21

Рис.3.10. ZC-последовательность

В качестве PSS в E-UTRA используют три взаимно-ортогональные ZC-последовательности. Каждой из них соответствует идентификатор физического уровня NID

(2) = 0; 1; 2. На практике это удобно при построении сети на основе трехсекторных сотовых структур: в eNB находятся 3 базовые станции, принадлежащие к одной идентификационной группе, но каждая имеет свой собственный NID

(2).

Сигнал PSS состоит из 62 символов (n=0…61) вида

(3.2)

Корневые индексы для 3-х различных сигналов приведены в табл. 3.7.

Таблица 3.7

NID(2) u

0 25

1 29

2 34

Символы сигнала PSS размещают в одном OFDM-символе, резервируя для этого 72 поднесущие по обеим сторонам от центральной частоты fо (рис. 3.11). Это означает, что число ресурсных блоков, используемых в сети, не может быть меньше 6. Фактически передачу ведут на 62 поднесущих с модуляцией 4-ФМ. По 5 поднесущих по обоим краям полосы не используют.

22

Рис.3.11. Генерация синхронизирующих сигналов

PSS передают дважды в течение 10 мс кадра. При работе с частотным дуплексом (кадры типа 1, рис.3.1) его размещают в субкадрах 0 и 5 в последних OFDM-символах временных слотов 0 и 10 соответственно. При работе с временным дуплексом (кадры типа 2, рис.3.3) PSS передают в трех OFDM-символах в субкадрах 1 и 6. Приняв PSS, UE оказывается синхронизированной с сетью с точностью до половины кадра и определяет группу NID

(2).

Как было сказано, сигнал SSS позволяет определить группу идентификатора соты. Эту группу обозначают номером NID

(1), который лежит в пределах 0…167. Фактический идентификатор соты

NID(cell) = 3 NID

(1) + NID(2) (3.3)

что дает возможность использовать 504 идентификатора базовых станций.

Сигналы SSS, в отличие от сигналов PSS, построены на основе m-последовательностей длиной в 31 бит. Их передают в субкадрах 0 и 5. Структура передачи сигнала SSS в частотной области такая же, как и для сигнала PSS: передачу ведут на 31 поднесущей слева и справа от центральной частоты (рис. 3.11). При частотном дуплексе SSS размещают в предпоследнем OFDM-символе 0 и 10 временных слотов, т.е. непосредственно перед сигналом PSS. При временном дуплексе для передачи SSS занимают последние символы во временных слотах 1 и 11. Однако, в отличие от PSS, коды SSS в субкадрах 0 и 5 разные. Это позволяет UE при приеме SSS обеспечить кадровую синхронизацию.

Для формировании символов d(n) сигнала SSS используют 3 разные m-последовательности: s(n), c(n) и z(n) длиной в 31бит (рис. 3.12).

Рис.3.12. m-последовательности, используемые в канале SSS

При этом основную m-последовательность s(n) подвергают скремблированию m-последовательностью c(n), а нечетные символы сигнала SSS вторично скремблируют m-последовательностью z(n).

(3.4)

23

Последовательности c0(n) и c1(n) отличаются между собой сдвигом, определяемым NID

(2):

(3.5)

В (3.4) все символы последовательностей d(n), s(n), c(n) и z(n) принимают

значения +1 или -1. Различие между и , равно как между и

состоит в циклическом сдвиге соответствующих m-последовательностей на m0 и m1 элементов.

Приняв сигналы PSS и SSS, UE читает информацию вещательного канала PBCH (Physical Broadcast Channel). По этому каналу передают MIB (Master Information Block), где указана полоса рабочих частот, конфигурация канала PHICH, передан номер кадра SFN (System Frame Number) и определено число передающих антенн в eNB. Приняв MIB, UE может прочесть блоки системной информации SIB (System Information Block) в DL-SCH (Downlink Shared Channel). Эти блоки (всего их 11 в Rel.8) содержат информацию, необходимую для всех процедур в E-UTRAN (SIB1 – SIB5), для выполнения межсистемных хэндоверов (SIB6 – SIB8), идентификаторы фемтосот (SIB9) и предупреждения о землетрясениях и цунами (SIB10, SIB11).Наиболее важный блок SIB1 повторяют каждые 80 мс. Приняв системную информацию, UE выбирает eNB с наиболее сильным принимаемым сигналом и начинает процедуру доступа к сети.

3.4. Состояния мобильной станции (UE) в E-UTRAN

В процессе работы в сети E-UTRAN мобильная станция может находиться в одном из 3-х состояний (рис. 3.13):

- ECM_DETACHED1,

- ECM_CONNECTED (ACTIVE),

- ECM_IDLE.

1 ECM – EPS (Evolved Packet System) Connection Management24

LTE_IDLE

LTE_DETACHED

OUT_OF_SYNC

IN_SYNC

LTE_ACTIVE

Есть IP - адресЛокализована в соте

Включение

Рис.3.13. Состояния UE в E-UTRAN

В состоянии ECM_DETACHED станция находится после ее включения. В этом состоянии абонент не имеет активизированного IP-адреса, а сама станция не зарегистрирована в сети.

После выполнения процедуры доступа к сети UE получает регистрацию в ней и переходит в состояние ECM_CONNECTED (ACTIVE). В этом состоянии идет обмен сообщениями (как сигнальными, так и пакетами трафика) по радиоинтерфейсу. Дальнейшее время станция будет находиться либо в состоянии ECM_ACTIVE, либо в состоянии ECM_IDLE. В состоянии ECM_ACTIVE абонент имеет активированный адрес, а сама UE связана с конкретным eNB. Терминал получает временный идентификатор C-RNTI (Cell Radio Network Temporary Identifier). Состояние ECM_ACTIVE имеет 2 варианта: IN_SYNC и OUT_OF_SYNC, в зависимости от того, синхронизирована передача вверх с eNB или нет. В состоянии IN_SYNC eNB измеряет задержку при поступлении OFDM-символов на свой приемник и корректирует время упреждения на UE. Если в течение определенного времени (временного окна) передача вверх отсутствует, коррекция времени упреждения становится невозможной и UE переводят в состояние OUT_OF_SYNC. Для того, чтобы восстановить синхронизацию вверх, UE необходимо заново выполнить процедуру доступа к сети.

В состояние ECM_IDLE станцию переводят на время пауз в сеансе связи. В этом состоянии абонент сохраняет свой IP-адрес, сеть поддерживает абонентские базы данных, где местоположение абонента определено с точностью до группы сот (зоны). Большую часть времени UE «спит», периодически включая приемник для прослушивания сигналов системного управления и пейджинга. Для перехода из состояния ECM_IDLE в состояние ECM_ACTIVE UE выполняет процедуру доступа к сети.

После подключения к сети абонентской станции для абонента открывают базы данных в ММЕ, S-GW и PDN GW, организуя туннельные соединения на интерфейсе S5/S8. При этом абоненту, имеющему индивидуальный системный номер IMSI (International Mobile Subscriber Identity), ММЕ назначает временный номер M-TMSI (MME Temporary Mobile Subscriber Identity) длиной 32 бита.

Как было сказано, после подключения к сети E-UTRAN UE может находиться в двух состояниях: ECM_CONNECTED и ECM_IDLE2. В состоянии CONNECTED (ACTIVE) активизировано соединение на радиоинтерфейсе между UE и eNB, в обслуживающем eNB открыта база данных UE, и организованы сквозные каналы на интерфейсе S1 для передачи сигнализации или трафика. Местоположение абонента известно с точностью до соты, а при перемещении абонента от одного eNB к другому происходит процедура хэндовера (рис.3.100).

2 ECM – EPS (Evolved Packet System) Connection Management25

Рис.3.100. Процедуры при перемещении абонента по сети LTE

В перерывах передачи трафика по радиоканалу сеть переводит UE в состояние IDLE. В этом состоянии сохраняются базы данных абонента в ММЕ, S-GW, PDN GW и туннели на интерфейсах S5/S8 и S11. Станция в состоянии IDLE локализована с точностью до зон слежения (Tracking Area). Зона слежения – это группа сот, через которые передают одновременно сигналы пейджинга (вызов по радиоканалу при поступлении входящего трафика). Для передачи пейджинга используют идентификатор S-TMSI = MMEC + M-TMSI <40бит>. MMEC – код обслуживающего ММЕ <8 бит>. Аналогично в пакетных сетях GERAN/UTRAN станция локализована в зоне маршрутизации (Routing Area). Однако, в отличие от сетей GERAN/UTRAN, в E-UTRAN, ММЕ может зарегистрировать станцию в нескольких зонах слежения одновременно, сообщив UE список этих зон (TAI-list).

Перемещаясь по сети в состоянии IDLE, UE прослушивает сигналы eNB, совершая процедуру реселекции сот, т.е. переключаясь на eNB с наиболее сильным сигналом. При переключении на eNB, расположенном в зоне, отсутствующей в списке, UE запускает процедуру локализации. При этом происходит обновление базы данных абонента в ММЕ, а абонент получает новый временный номер M-TMSI.

M-TMSI является частью глобального временного идентификатора, который получает абонент, обслуживаемый в сети LTE. Этот идентификатор GUTI (Globally Unique Temporary Identifier) состоит из глобального идентификатора ММЕ GUMMEI и M-TMSI: GUTI = GUMMEI + M-TMSI. GUTI записывают и сохраняют в USIM-карте. После завершения сеанса связи база данных абонента в ММЕ стирается не сразу. Она блокируется на время, установленное оператором. Если в течение этого времени абонент снова подключится к сети LTE, то он может идентифицировать себя как GUTI. В результате упрощается процедура запуска нового сеанса связи ( процедура Attach) и обеспечивается более высокая степень безопасности абонента.

26

3.5. Организация каналов в E-UTRAN

Как и в UMTS, в сетях LTE существуют каналы 3-х уровней: логические, транспортные и физические. Сообщения, которыми обмениваются UE и сеть, классифицируют как SDU (Service Data Unit). Перед передачей по радиоинтерфейсу SDU обрабатывают (фрагментируют, упорядочивают, защищают) на протокольных уровнях PDCP и RLC, распределяя по логическим каналам в виде PDU (Protocol Data Unit).

Логические каналы различают по виду передаваемой информации на логические каналы управления, используемые для передачи различных сигнальных команд и информационных сообщений, и логические каналы трафика, где размещают PDU трафика.

Далее ПО уровня МАС, действуя под управлением планировщика, по транспортным каналам “спускает” PDU на физический уровень, где осуществляют кодирование, скремблирование, мультиплексирование и модуляцию, после чего следует передача пакетов данных по физическим каналам радиоинтерфейса.3

Логические каналы:

• Broadcast Control Channel (BCCH) – вещающий канал, по которому передают системную информацию всем UE в соте. Перед входом в систему мобильный терминал должен считать информацию каналу BCCH и определить параметры сети, начиная с полосы рабочих частот.

• Paging Control Channel (PCCH) – канал посылки пейджинговых сообщений; используют для мобильных терминалов, местонахождение которых не определено с точностью до соты. Сигнал пейджинга передают одновременно в соты зоны слежения (см. 5.1).

• Common Control Channel (CCCH) – канал типа “точка-многоточка” для передачи управляющей информации вниз.

• Dedicated Traffic Channel (DTCH) – индивидуальный канал трафика одного пользователя; абонент получает отдельные каналы для передачи информации вниз и вверх.

• Dedicated Control Channel (DCCH) – индивидуальные выделенные каналы управления вниз и вверх для обмена командными сообщениями с UE.

• Multicast Control Channel (MCCH) – канал групповой передачи служебной информации; используют для передачи служебной информации, необходимой при приеме канала MTCH.

• Multicast Traffic Channel (MTCH) – канал передачи трафика для выделенной группы абонентов; используют для передачи вниз услуги мультимедийного вещания MBMS.

Похожая структура логических каналов существует в WCDMA/HSPA. Однако, в сравнении с WCDMA/HSPA в E-UTRA число логических каналов уменьшено.

Информацию логических каналов после обработки на RLC/MAC уровнях размещают в транспортных каналах для дальнейшей передаче по

3 Скремблирование применяют для рандомизации сигналов, передаваемых по различным каналам вверх и вниз. В LTE в качестве скремблирующих кодов используют коды Голда в виде суммы двух m-последовательностей [14].

27

радиоинтерфейсу в физических каналах. Транспортный канал определяет, как и с какими характеристиками информацию передают через радиоинтерфейс.

Как и при пакетной передаче в сетях GSM/UMTS, информационные сообщения на транспортном уровне формируют в транспортные блоки. В каждом временном интервале передачи (ТТI – Transmission Time Interval) по радиоинтерфейсу передают хотя бы один транспортный блок определенного размера. При использовании технологии пространственного мультиплексирования (MIMO) возможна передача двух или 4-х блоков в одном TTI.

Каждому транспортному блоку при его передаче по радиоинтерфейсу определяют транспортный формат (TF–Transport Format). Транспортный формат включает в себя информацию о размере транспортного блока, виде модуляции и используемых антенных технологиях. Вместе с сообщением о назначение ресурса, следует сообщение о параметрах избыточного кодирования. Путем изменения транспортных форматов уровень МАС может реализовывать различные скорости передачи данных, так что управление скоростями сводится к выбору транспортного формата.

Транспортные каналы:

• Broadcast Channel (BCH) – транспортный вещающий канал; имеет фиксированный транспортный формат. Канал используют для передачи информации логического канала BCCH.

• Paging Channel (PCH) – транспортный пейджинговый канал для передачи пейджинговой информации логического канала PCCH. Канал PCH поддерживает прием с прерыванием (discontinuous reception – DRX), что позволяет мобильному терминалу дольше сохранить заряд батареи, поскольку он принимает сигналы PCH только в определенные промежутки времени.

• Downlink Shared Channel (DL-SCH) – канал с разделением пользователей вниз. Этот транспортный канал используют в E-UTRA для передачи информации вниз. Он поддерживает такие особенности LTE, как адаптацию изменения скорости и диспетчеризацию пакетов во временной и частотной области, HARQ (Hybrid Automatic Repeat request) – модифицированный автоматический запрос на повторную передачу непринятых пакетов, и пространственное разделение каналов. Он также поддерживает DRX, чтобы сохранить заряд батареи мобильного терминала как можно дольше. Для передачи по этому каналу используют динамическое или полустатическое выделение канального ресурса.

• Multicast Channel (MCH) – канал групповой передачи, используется для поддержки услуги мультимедийного вещания MBMS. Он характеризуется полустатическим форматом транспорта и полустатическим выделением ресурса. При передачи мультимедийного вещания в нескольких соседних сотах применяют технологию MBSFN (Multimedia Broadcast over a Single Frequency Nerwork). При этом конфигурация распределения и формата передач по MCH согласована в сотах, где осуществляют MBSFN.

• Uplink Shared Channel (UL-SCH) - Канал с разделением пользователей вверх, аналогичный каналу с разделением пользователей вниз DL-SCH.

Взаимосвязь логических и транспортных каналов показана на рис. 3.14.

28

Рис. 3.14. Соответствие логических и транспортных каналов.

3.6. Физические каналы в направлении вниз

В направлении вниз eNB передает следующие каналы:

Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) – физический канал вниз с разделением пользователей; используют для передачи каналов DL SCH и PCH (возможна модуляция 4-ФМ, 16-КАМ и 64-КАМ)

Physical Downlink Control Channel (PDCCH) – Физический канал управления вниз, информирует UE о назначении канального ресурса для передачи транспортных блоков каналов PCH, DL-SCH,UL-SCH и о Hybrid ARQ, относящейся к каналу DL-SCH. По каналу PDCCH eNB передает ответы на запросы на доступ к сети, поступающие от UE, команды управления мощностью и индикаторы пейджинговых групп. Передачу ведут, используя модуляцию 4-ФМ.

Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) – физический модифицированный канал индикации автоматического запроса на повторение передачи; содержит информацию о Hybrid ARQ ACK/NACK в ответ при передаче вверх (модуляция 4-ФМ).

Physical Broadcast Channel (PBCH) – физический канал передачи вещательной информации (модуляция 4-ФМ).

Physical Multicast Channel (PMCH) – физический канал групповой передачи пакетов мультимедийного вещания (модуляция 4-ФМ, 16-КАМ и 64-КАМ).

Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) – физический канал передачи формата, который используют для канала PDCCH (модуляция 4-ФМ).

Взаимосвязь между логическими, транспортными и физическими каналами вниз показана на рис. 3.15.

29

Рис. 3.15. Соответствие логических, транспортных и физических каналов вниз в LTE.

Кроме рассмотренных физических каналов вниз, eNB передает 2 типа синхронизирующих сигналов: первичный PSS (Primary Synchronization Signal) и вторичный SSS (Secondary Synchronization Signal), а также опорные сигналы. При работе с частотным дуплексом SSS и PSS размещают в субкадрах 0 и 5 в последних и предпоследних OFDM-символах временных слотов 0 и 10 соответственно. Размещение физических каналов в субкадре 0 показано на рис. 3.16. В частотной области сигналы SSS и PSS занимают 6 РБ. Сообщение канала PBCH в 0 субкадре размещают также в 6 РБ в первых 4-х OFDM-символах временного слота 1. Сообщения канала PBCH следуют в 4-х кадрах подряд.

Каналы PCFICH, PDCCH и PHICH передают в начале каждого субкадра. Это позволяет выделять канальный ресурс в реальном времени в зависимости от отношения сигнал/помеха на входе соответствующего приемника по аналогии с технологиями HSPA в стандарте UMTS. Канал PCFICH служит для передачи CFI (Control Format Indicator), т.е. числа OFDM-символов, выделенных в субкадре для передачи информации канала PDCCH. Для этой информации может быть выделено от 1 до 4 OFDM-символов в субкадре. Совместное размещение каналов управления и передачи данных в одном OFDM-символе не допускается.

Типичный вариант распределения канального ресурса в субкадре: каналы управления (PDCCH) занимают 3 OFDM-символа, показан на рис. 3.17.

По каналу PDSCH передают пользовательские данные, сообщения пейджинга, ответы eNB на запросы UE на доступ к сети и блоки системной информации SIB (System Information Blocks). Их размещают в ресурсных блоках субкадра вниз. По каналу PDCCH передают указатели; каждый указатель состоит из идентификатора и командного сообщения DCI (Downlink Control Information) о выделенном ресурсе.

30

Рис. 3.16. Размещение каналов управления в субкадре 0

В качестве идентификаторов используют [16]:

- временный идентификатор абонента C-RNTI <16 бит> при передаче пользовательских пакетов,

- RA-RNTI (Random Access) <16 бит> для сообщений о доступе к сети,

- P-RNTI = <FFFE> при передаче пакета пейджинга (вызовов),

- SI-RNTI = <FFFF> (System Information) при передаче блока системной информации.

31

1 мс

00

10

2 3 4 5 6 7 8 9

10 мс

5 мс субкадр

6 –

100

РБ 6 Р

Б6

x 18

0 К

Гц

= 1

,08

МГ

ц

PC

FIC

H

PD

SC

HP

DS

CH

PD

SC

H

PH

ICH

PD

CC

HP

DC

CH

PS

SP

BC

H

SS

SP

SS

PB

CH

Рис.3.17. Распределение канального ресурса в субкадре вниз

Канальный ресурс выделяют в виде ресурсных блоков (РБ) в субкадре [17]. Для сокращения размеров каждого сообщения в стандарте LTE приняты различные, достаточно остроумные способы индикации выделяемых ресурсных блоков. Прежде всего все РБ разбиты на группы ресурсных блоков (ГРБ). Размер ГРБ зависит от рабочей полосы сети. С увеличением рабочей полосы растет и размер ГРБ (табл.3.9). Группы ресурсных блоков пронумерованы подряд и каждую группу индицируют одним битом. Абоненту могут выделять несколько групп, причем на разных участках рабочего диапазона, а также отдельные РБ,

32

SS

SP

SS

PB

CH

1 мс

00

10

2 3 4 5 6 7 8 9

10 мс

5 мс субкадр

6 –

100

РБ

PD

CC

H PD

SC

H

PD

SC

H

PC

FIC

HP

HIC

HP

DC

CH

PD

CC

H

индицируя их так, что длина сообщения о выделяемом ресурсе в битах минимальна.

Таблица 3.9

Рабочая полоса (в РБ) Размер ГРБ (в РБ)

≤10 1

11 ‒ 26 2

27 ‒ 63 3

64 ‒ 110 4

DCI содержит также информацию об используемых при передаче модуляционно-кодирующих схемах MCS (Modulation and Coding Scheme)4, команду управления мощностью передатчика UE, данные о HARQ. Всего стандартом LTE предусмотрено 29 MCS с модуляцией 4-ФМ, 16-КАМ, 64-КАМ и различными скоростями кодирования [17]. В режиме динамического выделения канального ресурса ресурсные блоки и MCS назначают UE на один субкадр. Возможен и полустатический вариант, когда канальный ресурс выделяют для конкретной передачи (соединения) на определенное время в специальных сигнальных сообщениях.

Алгоритм взаимодействия управляющих каналов и передачи по каналу PDSCH представлен на рис. 3.18.

Рис. 3.18. Взаимодействие каналов при передаче вниз

4 В многоантенных структурах можно использовать 2 разные MCS33

1. UE по каналам PUCCH или PUSCH постоянно передает на eNB индикаторы качества каналов CQI (Channel Quality Indication), на основе которых eNB выбирает формат передачи вниз5.

2. Планировщик (scheduler) в eNB в динамическом режиме назначает канальный ресурс для каждого субкадра. UE читает информацию каналов PCFICH и PDCCH, определяет выделенный ей канальный ресурс и формат передачи вниз.

3. eNB посылает пакет данных по каналу PDSCH.

4 UE декодирует данные и отправляет вверх подтверждение или неподтверждение (ACK/NACK) приема переданного пакета.

2.3. Технологии MIMO

MIMO (Multiple Input – Multiple Output) - многоантенные технологии, используемые для решения двух задач:

- повышения качества связи за счет пространственного временного/частотного кодирования и (или) формирования лучей (beamforming),

- увеличения скорости передачи при использовании пространственного мультиплексирования [12].

В любом варианте MIMO речь идет об одновременной передаче в одном физическом канале нескольких сообщений. Для реализации MIMO используют многоантенные системы: на передающей стороне имеется M передающих антенн, а на приемной стороне N приемных. Эту структуру поясняет рис. 2.19.

Математическая модель, описывающая систему (рис.2.19), представляет собой векторное уравнение

r = H × s + n (2.5)где r и s - вектора принятых и переданных сигналов, а n – вектор помех на входе приемников.

Рис.2.19. Модель канала с М передающими и N приемными антеннами

Коэффициенты передач между различными передающими и приемными антеннами определяет матрица H:

5 При применении многоантенных систем, UE может также управлять выбором кодирующей матрицы и рангом передачи (см. след. параграф).

34

(2.6)

элементы которой hij являются комплексными коэффициентами передачи напряжения между i приемной антенной и j передающей. Для того, чтобы приемник мог различать сигналы, передаваемые разными антеннами, коэффициенты матрицы Н должны быть между собой некоррелированными.

Когда речь идет о макросотах (сотах на открытом воздухе с высоко поднятыми антеннами), то для обеспечения низкой корреляции приходящих на UE лучей с разных антенн, требуется разнос антенн на eNB порядка 10λ (длин волн). В то же время на мобильном терминале обычно достаточно разнести антенны на λ, чтобы получить слабо коррелированные приходящие сигналы. Это обусловлено тем, что множество лучей, вызывающих быстрые замирания сигналов и их декорреляцию, обычно формируется в ближней зоне около UE. Такая картина типична для микро и пикосот в зданиях. Точно также антенны eNB, установленных внутри помещений или под крышами зданий, могут быть разнесены на гораздо меньшую дистанцию, чем в макросотах. Все сказанное относится к антеннам с одинаковой поляризацией. Разумеется, что использование антенн с ортогональной поляризацией обеспечивает слабую корреляцию коэффициентов передачи hij..

Коэффициенты hij приемник рассчитывает, принимая опорные (символы). Эти опорные символы передающие антенны излучают по очереди по установленному алгоритму (рис. 2.13). При передаче опорного символа одной антенной все остальные антенны “молчат”.

При пространственном временном/частотном кодировании группу символов передают либо последовательно во времени на одной поднесущей (пространственно-временное кодирование), либо одновременно на нескольких поднесущих (пространственно-частотное кодирование) параллельными потоками [14]. В практике многоантенных систем широкое применение нашла схема Аламути пространственно-временного кодирования (Space Time Coding – STC). В ней в конфигурации антенн 2×1 (рис.3.20) через антенны 1 и 2 передают следующие друг за другом символы S1 и S2 и их комплексно-сопряженные значения S* одновременно в 2 последовательных момента времени:

Антенна 1 Антенна 2

Время t = 0 s1 s2

t = 1 -s2* s1

*

Рис. 2.20. STC при конфигурации антенн 2×1

При приеме в моменты t = 0 и t = 1 получают следующие сигналы:

35

r(0) = h1s1 + h2s2 + n(0) (2.7)

r(1) = -h1s2* + h2s1

* + n(1),

где n(0) и n(1) – соответствующие отсчеты помехи (шума).

Для выделения сигналов s1 и s2 выполняют две линейные операции:

y1 = h1*r(0) + h2r*(1) = (|h1|2 + |h2|2)s1 + h1

*n(0) + h2n*(1) (2.8)

y2 = h2*r(0) - h1r*(1) = (|h1|2 + |h2|2)s2 + h2

*n(0) – h1n*(1)

В результате устраняются пространственные взаимные помехи, а результирующее отношение сигнал/помеха

(2.9)

Из (2.9) следует, что даже в случае глубоких замираний по одному из каналов (h1 или h2 →0), будет идти прием по другому каналу.

При пространственном мультиплексировании через разные передающие антенны идут разные потоки данных. В результате скорость передачи данных в радиоканале увеличивается в М раз, где М – число независимых потоков данных.

В сетях LTE можно реализовать как однопользовательские MIMO (SU-MIMO), так и многопользовательские MIMO (MU-MIMO). При SU-MIMO вниз все разные потоки данных, передаваемые в одном частотном канале, принимает один UE. В направлении вверх один UE также может передавать через разные антенны несколько независимых потоков.

При MU-MIMO вниз разные потоки будут направлены разным UE, причем каждый мобильный терминал получает только один поток. При использовании MU-MIMO вверх в одном частотном канале одновременно передают несколько UE. На рис. 2.21 показана структура MU-MIMO вниз с 4 UE.

Рис.2.21. Структура MU-MIMO вниз с 4 UE

36

При переходе от Rel.8 к Rel.10 спецификаций возможности использования технологий MIMO существенно расширились (табл.2.3).

Таблица 2.3.

Используемая технологияLTE LTE-A

Релиз 8 Релиз 9 Релиз 10

Вниз

SU-MIMO До 4 потоков До 4 потоков До 8 потоков

MU-MIMOДо 2

абонентовДо 4

абонентовДо 8

абонентов

Вверх

SU-MIMO 1 поток 1 поток До 4 потоков

MU-MIMOДо 8

абонентовДо 8

абонентовДо 8

абонентов

Остановимся на особенностях реализации MIMO вниз в LTE-A. eNB должен передавать опорные символы с каждой антенны, чтобы UE, принимая их, могли рассчитать коэффициенты матрицы Н (2.6). Однако, уже при 4-х работающих антеннах снижение пропускной способности ресурсного блока составляет почти 15% (табл.2.1). Чтобы не увеличивать дальнейшего снижения пропускной способности каналов трафика при 8 антеннах, в LTE-A введена новая структура передачи опорных сигналов.

Во-первых, продолжается передача опорных символов (CRS), специфицированных для 4 антенных портов (рис.2.13). Заметим, что представленная на рис.2.13 конфигурация CRS зависит от идентификатора соты. Сохраняя структуру, она может смещаться внутри РБ по вертикали (поднесущим) на 0…5 позиций. Это обеспечивает прием CRS мобильными терминалами с минимальными помехами из соседних сот. Сами опорные символы представляют собой комплексные числа С(n) = С1(n) + jС2(n), которые в нормализованном виде составляют 4 возможные комбинации: 1+j, 1–j, -1+j, -1-j, что соответствует 4 позициям радиосигнала при модуляции 4-ФМ. Значения С1(n) и С2(n) зависят от номера РБ, номера тайм-слота, номера антенного порта и определяются из кодов Голда, генерируемых eNB при передаче.

В сетях LTE-A eNB, кроме CRS, передает дополнительные опорные сигналы: CSI-RS (Channel State Information – Reference Signal) и UE-RS (UE specific Reference Signal).

При использовании пространственного мультиплексирования существенно усложняется построение приемников. Каждый независимый поток данных создает помехи другим потокам. Поэтому пространственное мультиплексирование реализуют в “хороших” каналах, с высоким отношением сигнал/помеха. Для разделения потоков в приемнике необходимо, чтобы число приемных антенн N было не меньше числа передаваемых потоков данных. Если принять, что каждый

поток идет через одну передающую антенну6, то в соответствии с рис.2.19 N M.

Теория и практика показывают, что с увеличением числа приемных антенн (например, при N=4 и М=2 в сравнении с вариантом N=2 и М=2) коэффициент

6 Возможны варианты совместного использования технологий пространственно-временного кодирования и мультиплексирования – тогда число передающих антенн больше числа независимых потоков данных.

37

ошибок снижается. Что касается алгоритмов обработки сигналов в приемнике, то все производимые в них операции выполняют на каждой поднесущей.

Опишем различные алгоритмы обработки сигналов в приемнике при пространственном мультиплексировании [12], [17].

Алгоритм максимального правдоподобия. Приемник максимального правдоподобия выполняет векторное декодирование и является оптимальным в смысле минимизации вероятности ошибки. В приемнике производят перебор всех возможных вариантов переданного вектора s. При равной вероятности передачи

любых вариантов s искомым сигналом считают , минимизирующий оценку:

(2.10)

Прямая реализация алгоритма при двух независимых потоках и модуляции 16-КАМ требует перебора 216 возможных состояний сигнала, при 4 потоках ‒ 416, а при модуляции 64-КАМ 464 состояний. Просмотр такого числа вариантов пока практически нереализуем, хотя методы сферического декодирования, требующие дополнительного совместного исследования матрицы Н и помех, позволяют существенно уменьшить зону поиска.

Линейные алгоритмы.

Линейные алгоритмы основаны на решении системы М линейных уравнений, получаемых путем псевдообращения матрицы коэффициентов Н (2.4). Этот алгоритм принято называть ZF (Zero-Forcing). Если матрица Н квадратная, то-есть число независимых потоков данных М равно числу приемных антенн N, то вектор переданных сигналов s можно определить, умножив левую и правую части (2.5) на обратную матрицу H-1 и решив следующую систему уравнений:

s = H-1 × r – H-1 × n (2.11)

Если число приемных антенн N больше числа принимаемых потоков данных М, то матрица Н становится прямоугольной размерностью N×М (НNM). В этом случае выполняют псевдообращение матрицы НMP по алгоритму Мура-Пенроуза, где используют матрицу НН, эрмитово-сопряженную с матрицей Н. Матрицу НН получают, транспонируя матрицу Н и заменяя все элементы hij на их комплексно-сопряженные значения. Оператор

(2.12)

имеет размерность М×N. Заменив в (2.11) H-1 на НMP, получаем

s = НMP × r – НMP × n (2.13)

Оба варианта ZF-приемника (2.11) и (2.13) отличаются вычислительной простотой, но дают существенно худший результат в сравнении с алгоритмом максимального правдоподобия, поскольку после умножения НMP × n усиливается влияние помех.

С целью улучшения приема используют модифицированный ZF-алгоритм, получивший название MMSE (Minimum Mean Square Error). В MMSE-приемнике оператор НMP заменен оператором WMMSE:

38

(2.14)

где - соотношение сигнал/помеха, а – единичная матрица размерности M.

Нелинейные алгоритмы.

Нелинейные алгоритмы приемников сигналов с пространственным мультиплексированием дают лучшие результаты, чем линейные, но требуют значительно бόльшего объема вычислений. Одним из наиболее известных нелинейных алгоритмов является Vertical-Bell Labs Layered Space Time Architecture или V-BLAST. Алгоритм работы V-BLAST включает в себя как линейные, так и нелинейные операции. Он основан на QR-разложении канальной матрицы HNM с последующим определением и исключением отдельных принятых символов. Матрицу HNM представляют в виде произведения

НNM = QNM RMM (2.15)

где QNM – унитарная матрица, удовлетворяющая условию:

,

а RMM – диагональная матрица вида

(2.16)

Далее преобразовываем уравнение (2.5), умножая его левую и правую

части на , к виду

, (2.17)

где вектор , а вектор . Отметим, что вследствие унитарности

матрицы мощность помех не возрастает. В результате получаем систему

уравнений

39

(2.18)

которую решаем, находя компоненты вектора s, начиная с последнего sM. Детали реализации алгоритма V-BLAST приведены в [1, гл.15].

Результаты компьютерного моделирования работы детектора V-BLAST в зависимости от отношения сигнал/суммарная помеха (SNR) приведены на рис.2.22. Смоделирована передача 2 потоков данных с модуляцией 16-КАМ при приеме на 2 антенны.

Рис. 2.22. Прием сигналов при пространственном мультиплексировании

3.8. Организация физических каналов для передачи вверх

Взаимосвязь между логическими, транспортными и физическими каналами вверх показана на рис.3.26.

40

Рис.3 26. Соответствие логических, транспортных и физических каналов вверх

Логические каналы:

Common Control Channel (CCCH) – канал для установления соединения с сетью, кода станция находится в состоянии LTE_IDLE.

Dedicated Control Channel (DCCH) – канал для передачи индивидуальной сигнализации.

Dedicated Traffic Channel (DTCH) – канал для передачи пользовательского трафика.

Транспортные каналы:

Random Access Channel (RACH) – канал запросов на доступ. Его используют для подключения к сети, для подключения к целевой eNB при хэндовере, для восстановления синхронизации вверх.

Uplink Shared Channel (UL-SCH) – канал передачи индивидуального трафика и сигнализации.

Физические каналы:

Physical Random Access Channel (PRACH) – физический канал передачи запросов на случайный доступ.

Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) – канал передачи индивидуального трафика и сопутствующей сигнализации UCI (Uplink Control Information).

Physical Uplink Control Channel (PUCCH) – канал передачи сопутствующей сигнализации UCI в отсутствие канала PUSCH.

В дополнение к приведенным на рис.3.26 физическим каналам следует указать на возможность передачи тонового опорного сигнала SRS (Sounding Reference Signal) для получения информации о затуханиях на трассе вверх на различных частотах выделенного диапазона.

Информацию о выделенном канальном ресурсе в каналах PUSCH или PUCCH абонентские станции получают по каналу PDCCH в предшествующем субкадре.

Особенностью каналов PUCCH и PUSCH является возможность работы со скачками частоты для реализации частотного разнесения. На рис.3.27 приведен пример размещения 4 каналов PUCCH в субкадре . По каналам PUCCH передают информацию о подтверждении/неподтверждении приема пакетов вниз (ACK/NACK), индикаторы качества каналов CQI, управляющая информация при

41

пространственном мультиплексировании PMI/RI, запросы на канальный ресурс при передаче вверх. Один канал PUCCH занимает 1 РБ в субкадре. Для каналов PUCCH выбирают РБ по краям рабочей полосы, причем канал PUCCH внутри субкадра прыгает по частоте от одного края полосы к другому (рис. 3.27). Это позволяет улучшить качество приема за счет частотного разнесения передаваемого сигнала.

В сетях LTE используют разные форматы передач по каналам PUCCH (рис.3.28). В зависимости от формата опорные сигналы передают в 3, 2 или одном OFDM-символах одного слота (на рис.3.28 эти символы затемнены).

CQI является основным параметром, позволяющим планировщику в eNB динамически менять формат передачи вниз для конкретной абонентской станции. UE, измеряя отношение сигнал/помеха, определяет максимально допустимую по скорости передачи MCS вниз. При измерениях уровня сигнала UE рассчитывает среднюю мощность принятых ресурсных элементов с опорными сигналами RSRP (Reference Signal Received Power) в заданной полосе частот [18]. Для передачи CQI используют индексы от 1 до15; каждому индексу соответствует определенная модуляционно-кодирующая схема (табл. 3.11) [17]. В ней скорость кодирования Rкод нормирована к 1024, а эффективность выражена в бит/с/Гц.

Рис.3.27. Размещение каналов PUCCH в субкадре

42

Рис.3.28. Форматы передачи в каналах PUCCH

Таблица 3.11

Индекс CQI Модуляция Rкод×1024 Эффективность

1 4-ФМ 78 0,1523

2 4-ФМ 120 0,2344

3 4-ФМ 193 0,3770

4 4-ФМ 308 0,6010

5 4-ФМ 449 0,8770

6 4-ФМ 602 1,1758

7 16-КАМ 378 1,4766

8 16-КАМ 490 1,9141

9 16-КАМ 616 2,4063

10 64-КАМ 466 2,7305

11 64-КАМ 567 3,3223

12 64-КАМ 666 3,9023

13 64-КАМ 772 4,5234

14 64-КАМ 873 5,1152

15 64-КАМ 948 5,5547

Передаваемый CQI может состоять из нескольких параметров. Передают индекс широкополосного CQIWB – усредненный CQI по всей полосе рабочих частот, и CQISB для отдельных субполос. Число субполос определения CQI зависит от ширины рабочей полосы и полностью соответствует разбивке частотного диапазона на группы РБ при передаче вниз (табл. 3.9).

Если в рабочей полосе меньше 10 РБ, то передают только CQIWB. При более широкой полосе CQIWB в соответствии с табл. 3.8 дополняют несколькими CQISB. При этом для снижения объема информации вместо CQISB передают разность

43

I = 5

PUCCH

1 слот

Формат 1, 1а, 1b

Нормальный CP

Расширенный CP

I = 0 I = 6

I = 5I = 0

PUCCH

1 слот

Формат 2, 2а, 2b

Нормальный CP

Расширенный CP

I = 0 I = 6

I = 0

CQIDiff-SB (i) = CQISB(i) - CQIWB

CQIDiff-SB может принимать значения {-2, 0, +1, +2}. Обратим внимание на то, что в сторону увеличения возможны 2 параметра: +1 и +2 в то время как в сторону уменьшения только один: -2. Это позволяет планировщику при передаче вниз выделять те участки рабочего диапазона, где индекс CQI выше и где требуется бόльшая точность в определении формата передачи.

Если абоненту выделен канал PUSCH, то всю указанную выше сигнальную информацию мультиплексируют в этом канале с сообщениями трафика. При этом в частотной области возможны зеркальные скачки частоты внутри одного субкадра (рис.3.29) и между соседними субкадрами (рис.3.30). В каналах PUSCH опорные OFDM-символы размещены в середине каждого таймслота (рис.3.31).

Рис. 3.29. Передача канала PUSCH без скачка и со скачком частоты

44

00

10

2 3 4 5 6 7 8 9

10 мс5 мс субкадр

6 –

100

Р

Б

Субкадр (1 мс)

Скачки почастоте

PUSCH

PUSCH

Рис.3.30 . Передача канал PUSCH с межсубкадровым скачком частоты

Рис. 3.31 . Форматы передач в канале PUSCH

45

3.9. Абонентская аппаратура и скорости передачи

Согласно Rel.9 специфицированы 5 категорий абонентских станций. Их характеристики сведены в табл. 3.12. [19]

Таблица 3.12

Категория UE

Параметры физического уровня внизПараметры физического уровня вверх

Параметры L2

Макс. число бит в

канале DL-SCH в

cубкадре1

Макс. число бит в блоке DL-SCH в cубкадре2

Макс. число бит,

обрабатыв. при HARQ

Макс. ранг при MIMO

Макс. число бит в

канале UL-SCH в

cубкадре

Модуляция 64-КАМ вверх

Объем буфера в кбайт

1 10296 10296 250368 1 5160 нет 150

2 51024 51024 1237248 2 25456 нет 700

3 102048 75376 1237248 2 51024 нет 1 400

4 150752 75376 1827072 2 51024 нет 1 900

5 299552 149776 3667200 4 75376 есть 3 500

В табл. 3.12 обозначены:1) Максимальное число бит, которое UE может получить во всех принятых блоках по каналу DL-SCH в одном субкадре. При пространственном мультиплексировании – это число бит в каждом из параллельных соединений.2) Максимальное число бит в одном транспортном блоке, переданном по каналу DL-SCH в субкадре.

4. LTE радио протокол

LTE радио протокол включает в себя 3 уровня (рис.4.1).

Рис.4.1. Структура радио протоколов LTE

46

RRC

PDCP

RLC

MAC

Физический уровень

Плоскость управления

Пользовательская плоскость

Сквозные каналы

Логические каналы

Транспортные каналы

L3

L2

L1

В плоскости управления на уровне L3 находится RRC (Radio Resource Control) протокол. Уровень L2 расщеплен на 3 подуровня:

- PDCP – Packet Data Convergence Protocol, протокол конвергенции пакетов данных;

- RLC – Radio Link Control Protocol, протокол управления радиосоединением;

- MAC – Medium Access Control Protocol, протокол управления доступом к среде.

Протокол RRC представляет собой систему алгоритмов и команд, используемых для обслуживания UE на радиоинтерфейсе.

Протокольные соединения в плоскости управления (Control Plane) в сети LTE показаны на рис.4.2. На нем, кроме радио протокола показаны сигнальные соединения по интерфейсу S1 (NAS – Non Access Stratum), организуемые поверх радио протокола, а также соединения по интерфейсу Х2.

Рис.4.2. Протоколы сигнальной плоскости в архитектуре LTE

Рассмотрим функции, выполняемые различными подуровнями L2 радиоинтерфейса. На протокольном уровне PDCP обрабатывают данные более высоких уровней: SDU (Service Data Units) – дейтаграммы трафика и сигнальные сообщения. При этом осуществляют:

- сжатие (и, соответственно, восстановление) IP-заголовков, используя протокол ROHC (Robust Header Compression), разработанный IETF и применяемый с сетях UMTS,

- шифрацию и дешифрацию SDU трафика и сигнализации (в UMTS это делают на уровнях RLC или MAC),

- защиту (проверку) целостности сигнальных сообщений (в UMTS это осуществляют на уровне RLC).

Последовательность производимых операций показана на рис. 4.4.

47

Рис.4.4. Операции, выполняемые на уровне PDCP

Кроме указанных функций, уровень PDCP обеспечивает передачу данных без потерь при хэндоверах и обрывах связи.

На уровне RLC осуществляют:

- сегментацию SDU на PDU (Protocol Data Unit) для передачи и объединение пакетов при приеме в требуемой последовательности,

- коррекцию ошибок при передаче, используя повторную передачу (ARQ),

- устранение ошибок в передаче пакетов, вызванных ошибками сигнализации.

Возможны 3 режима обработки пакетов на уровне RLC в зависимости от характера передаваемой информации:

- прозрачный (transparent mode) – пакеты не обрабатывают на уровне RLC,

- передача без подтверждения (unacknowledged mode),

- передача с подтверждением (acknowledged mode).

На уровне МАС происходит размещение и мультиплексирование пакетов логических каналов в транспортных с последующей передачей их по физическим каналам. Уровень МАС осуществляют:

- управление выделением канального ресурса с учетом приоритетов трафика, т.е. выполняют задачи планирования передач,

- выбор транспортных форматов передач,

- управление повторными передачами непринятых пакетов,

- организацию процедур доступа UE к сети и периодической синхронизации UE,

48

последовательная нумерация

Защита целостности

Сжатие заголовка

Шифрация

Заголовок PDCP

Data Field

Смена последовательности

Проверка целостности

Восстановление заголовка

Дешифрация

Заголовок PDCP

Data Field

При передаче При приемеNAS

RLC RLC

- измерения: объема передаваемого трафика, загрузки канала, состояния буферов передачи UE, относительной мощности передачи UE и ряд других,

- организацию режима сна/прерывистого приема (DRX) абонентских станций.

Протокольные уровни МАС и RLC тесно связаны между собой. В зависимости от характеристик канала связи и загрузки сети МАС выбирает оптимальный формат передачи (модуляцию, скорость избыточного кодирования, объем передачи), на основе которого RLC устанавливает размер PDU. MAC уведомляет RLC о начале передачи по конкретному соединению и о числе PDU, которые RLC должен выставить в данный момент. При неприеме PDU МАС сообщает RLC о необходимости повторной передачи.

Работой уровня МАС непосредственно руководит планировщик (scheduler), алгоритмы работы которого и ПО являются know-how производителя аппаратуры.

Сигнальный протокол RRC обеспечивает следующие функции и процедуры:

- передачу системной информации по радиоинтерфейсу,

- пейджинг,

- установление, поддержку и разрыв соединения по протоколу RRC между UE и e-UTRAN,

- выполнение задач безопасности, в том числе управление ключами,

- организацию части сквозного канала на радиоинтерфейсе,

- хэндоверы,

- селекцию сот при перемещении UE,

- передачу сигнализации NAS между UE и ядром сети,

- исправление системных ошибок между UE и ядром сети,

- поддержку самоконфигурации и самооптимизации сети.

7. Качественные показатели и их обеспечение в сетях LTE

Как и в UMTS, в сетях LTE доставку услуг осуществляют по сквозным каналам (bearer) с необходимыми качественными характеристиками (QoS – Quality of Service). Важнейшими из них являются:

- классы трафика,- приоритеты,- надежность,- задержки,- скорости передачи.

В зависимости от требований QoS все виды предоставляемых услуг поделены на 9 классов и каждому классу присвоен идентификатор QCI (QoS Class Identifier). В свою очередь организуемые для передачи трафика сквозные каналы поделены на 2 группы в зависимости от типа выделяемого ресурса:

- с гарантированной скоростью передачи GBR (Guaranteed Bit Rate),

- не с гарантированной скоростью передачи Non-GBR.

49

На основе разработанной классификации в [13] приведена таблица требований к качественным показателям передач для трафика 9 разных классов (табл.7.1).

Передача с гарантированной скоростью требует от eNB управления в динамическом режиме. Услуги классов QCI 1,2, 3 и 7 – это услуги, реализуемые в реальном времени по протоколу UDP/IP. Для них основным ограничивающим фактором является допустимая задержка в доставке пакетов. В [13] указано, что в табл.6.1 приведена усредненная величина задержки между точкой доступа7 в шлюзе P-GW и UE. При этом возможно увеличение задержки до 50 мс при роуминге, например, между Америкой и Европой.

Таблица 7.1

QCIТип

ресурсаПриоритет

Задержка

(мс)PERL Примеры услуг

1 2 100  10-2 Телефония в реальном времени

2GBR

4 150  10-3 Видеотелефония, видео в реальном времени

3 3 50  10-3 Игры в реальном времени

4 5 300  10-6 Видео с буферизацией

5 1 100  10-6 Сигнализация (IMS)

6 6 300  10-6Видео с буферизацией, TPC/IP услуги для приоритетных пользователей

7Non-GBR

7 100  10-3Аудио, видео в реальном времени, интерактивные игры

8 8300  10-6

Видео с буферизацией, TPC/IP услуги

9 9

Надежность передачи оценивают по относительной величине непринятых пакетов PERL (Packet Error Loss Rate). Обеспечение величины PERL ≤ 10-6

возможно при доставке пакетов по протоколу TCP/IP. Отметим, что наивысшим приоритетом обладает сигнальный трафик. По умолчанию доставка TCP/IP трафика (чтение файлов из Интернета, E-mail, видео) непривилегированным пользователям идет по классу 9.

Для передачи сервисного потока данных конкретной услуги организуют сквозной канал (bearer) соответствующего класса QCI. Сквозной канал характеризуют следующие параметры:

- установленный и сохраняемый приоритет,

- для GBR классов передачи гарантированная и максимальная скорость передачи, которая не может быть превышена,

Для сквозных каналов с негарантированной скоростью передачи устанавливают суммарную скорость передачи потоков по всем каналам. Сквозные каналы GBR классов являются выделенными.

Динамическим выделением канального ресурса управляет планировщик (scheduler) в eNB. В алгоритме работы планировщика учитывают :

- состояние радиоканалов с конкретными UE,

7 В [13] это задержка между PCEF и UE. Программное обеспечение, выполняющее функции поддержки, тарификации и учета услуг (PCEF – Policy and Charging Enforcement Function) обычно находится в шлюзе с точкой доступа к внешним IP-сетям.

50

- атрибуты сквозных каналов,

- характеристики передач по сквозным каналам, включая состояние буферов UE при передаче вверх,

- помеховые ситуации в соседних сотах и возможности межсотовых хэндоверов с целью улучшения условий работы UE, находящихся вблизи границ сот.

Работа планировщика также связана с программами управления доступа к сети и управления ситуациями перегрузки на радиоинтерфейсе.

Отдельно стоит вопрос передачи телефонного трафика в сетях LTE. Поскольку стандарт LTE разработан для передачи пакетного трафика, он не может напрямую поддерживать услугу телефонии с коммутацией каналов. Однако именно голосовой трафик приносит операторам мобильной связи наибольший доход. Поэтому сейчас рассматривают несколько вариантов передачи телефонии по сетям LTE.

Первый вариант состоит в переходе на технологию VoIP. В настоящее время в трактах VoIP широко применяют вокодеры, такие как iLBC (Internet Low Bit Rate Code) в системах Skype и Googlenet, снижающие скорость передачи речи с 64 до13 кбит/с. Указанная ранее технология ROHC позволяет уменьшить заголовки пакетов VoIP с 40 – 60 байт до 1-3 байт.

Постепенно решаются проблемы со сквозными задержками в каналах VoIP и с временным джиттером. Сейчас, особенно при использовании технологии IMS, можно снизить сквозную задержку до 300 мс, которую большинство абонентов не замечает.

Еще одной проблемой перехода на VoIP является резкое увеличения нагрузки на канал PDCCH, если планирование канального ресурса абонентам VoIP осуществлять в динамическом режиме. Альтернативой является полупостоянное назначение (Semi-Persistent Scheduling) канального ресурса таким абонентам. Информацию о выделенных РБ в определенных субкадрах передают в индивидуальных управляющих сообщениях (по логическому каналу DCCH) на много кадров вперед. Тогда PDCCH будут использовать только при повторной передаче пакетов и для передачи указателя пауз SID (Silence Identifier) в речевом потоке. Как второй способ снижения нагрузки на канал PDCCH рассматривают передачу VoIP в виде связок пакетов (длинных пакетов – packet bundling). Однако при этом ужесточаются требования к задержкам и надежности в сети.

Второй вариант состоит в переключении абонента (межсистемном хэндовере) на время передачи телефонии на сеть GSM/UMTS. Здесь важным аспектом является качество хэндовера и поддержка параллельных услуг пакетного трафика. Наконец, есть вариант установки между коммутатором с коммутацией каналов (MSC) и пакетной сетью LTE специального контроллера для преобразования потока данных телефонии в пакеты с последующей их передачей по радиоканалу в пакетном режиме.

51

2.4. Агрегация частотных полос

.Агрегация (присоединение) частотных полос является наряду с пространственным мультиплексированием основным способом увеличения скорости передачи данных. В LTE Rel. 8/9 максимальная ширина частотного канала 20 МГц. Дальнейшее расширение канала технологически затруднено, так как сложно обеспечить необходимую точность синхронизации при когерентном приеме сигналов на поднесущих с большими номерами.

Для увеличения ширины полосы в Rel. 10 предложена технология агрегация полос. Это означает, что одновременно с передачей в базовой полосе частот появляется возможность вести одновременно передачу еще в нескольких полосах. При этом в каждой новой полосе формируют индивидуальный сигнал OFDM, где поднесущие номеруют от 1 до максимальной. Это означает, что передают несколько независимых сигналов, которые могут принимать как один терминал, так и разные терминалы. Повторную передачу непринятых пакетов также осуществляют независимо в каждой полосе.

Агрегировать можно полосы разной ширины (5, 10, 20 МГц), причем число присоединенных полос вниз и вверх может быть разным (асимметричный трафик), но число полос вверх не может быть больше их числа вниз. Общее число агрегируемых полос вниз может достигать 5. Оператор может выбирать полосы из одного диапазона (подряд или с промежутками) или из разных диапазонов (рис. 2.23). Частотные диапазоны, выделенные для сетей LTE с частотным дуплексом, приведены в табл. 2.5, c временным дуплексом в табл.2.6.

Рис.2.23. Варианты выделения полос при агрегации

Мобильные терминалы, начиная с Rel.10, должны поддерживать такие режимы.

Для формализации процедур обслуживания UE одна из агрегированных полос относится к первичной соте (primary, PCell), а остальные ‒ ко вторичным (secondary, SCell). В полосе первичной соты передают всю системную информацию: синхронизирующие сигналы, канал РВСН, SIB’ы, пейджинг, ответы eNB на запросы на доступ к сети., поскольку этот канал используют все UE, обслуживаемые данным .eNB. UE, использующие агрегацию полос, получают в первичной соте индивидуальные сообщения каналов управления, включая сигнализацию NAS. В этой полосе UE производят запросы на доступ к сети и выполняют измерения, связанные с хэндовером.Что касается сообщений канала PDCCH о выделении UE канального ресурса для передачи трафика, то здесь возможны 2 варианта. В каждой рабочей полосе можно сконфигурировать свой канал управления PDCCH и по нему передавать сообщения о выделении канального ресурса только для этой полосы. Однако в ряде случаев, особенно в неоднородных сетях, где в макро и микро (пико) сотах

52

ведут передачу совместно в нескольких полосах, целесообразен вариант перекрестного управления. В этом случае для первичных сот разных подсетей выбирают разные полосы и в каждой первичной соте передают в канале PDCCH всю информацию о выделяемом канальном ресурсе в первичной и во всех вторичных сотах eNB данной подсети. Такой способ позволяет ослабить помехи при приеме сигналов PDCCH в маломощных микро и пикосотах.

Спецификации [5, AnnexJ] предлагают 5 сценариев использования технологии агрегации полос. В сценарии 1 (рис. 2.24,а) рабочие полосы F1 и F2

взяты из одного диапазона, покрытие сот в полосах практически одинаковое, в обеих полосах может быть обеспечена мобильность абонента.

В сценарии 2 (рис.2.24б) полосы F1 и F2 взяты из разных, далеко отстоящих по частоте диапазонов, например, F1 из диапазона 17, а F2 из диапазона 7. В этом случае каналы F2 покрывают меньшую территорию, в зонах повышенного трафика, и мобильность абонента обеспечивается только в полосе F1. Аналогичная ситуация возникает, когда полосы F1 и F2 находятся в одном диапазоне, но в полосе F2 работают с пониженной мощностью.

а) б)

в)

Рис.2.24. Сценарии применения технологии агрегации полос

В сценарии 3 (рис.2.24в) полосы F1 и F2 взяты из одного диапазона, но диаграммы направленности антенн в полосе F2 смещены так, чтобы улучшить покрытие по границам сот полосы F1. Как следует из рис. 2.11в, лучшее покрытие и мобильность абонентов обеспечивает полоса F1.

Применяя совместно технологии агрегации полос и MIMO, можно получить сквозные скорости передачи данных порядка 1 Гбит/с. При полосе радоиканала в 20 МГц и использовании модуляции 64-КАМ сквозная скорость в канале достигает 70 Мбит/с. При агрегации 4 полос по 20 МГц и, мультиплексируя 4 потока данных, получим сквозную скорость в радиоканале 4×4×70 ≈ 1 Гбит/с

10. Фемтосоты

Технология фемтосот в последние 2-3 года вызывает большой интерес у операторов и абонентов сетей UMTS, CDMA2000, LTE и WiMAX. Идея фемтосот состоит в установке в зданиях: квартирах, офисных помещениях, маломощных

53

домашних базовых станций соответствующих стандартов (их так и называют Home NodeB) и для обслуживания абонентов, находящихся в зоне неуверенного приема или отсутствия сигнала сети сотового оператора.

В действующих сотовых структурах можно выделить следующие типы сот (рис. 10.1)

- Макросоты (Macrocell). Радиус обслуживаемой территории от 500 ‒ 1500м и более. Являются основой построения сети сотового оператора, используются для обеспечения сплошного покрытия большой территории.

- Микросоты (Microcell). Радиус обслуживаемой территории 300 ‒ 500м. Используются для обслуживания абонентов вне помещений путем покрытия отдельных улиц и обеспечивают дополнительную емкость сотовой сети. По структуре покрытия микросоты обслуживают локальные области (группы территориально объединенных зданий - бизнес-центры, выставочные центры, университеты, аэропорты и т. д.).

- Пикосоты (Picocell). Радиус обслуживаемой территории 100 ‒ 300м. Предназначены, прежде всего, для обеспечения покрытия внутри помещений и в тех зданиях, где отмечается повышенный спрос на услуги высокоскоростной передачи данных (видеоконференции, мультимедиа и т. д.).

- Фемтосоты (Femtocell). Радиус обслуживаемой территории порядка 20 ‒ 50м. Фактически это полноценные маломощные базовые станции, предназначенные для обслуживания небольшой территории (офиса, квартиры).

Рис. 10.1. Типы сотДля сетей LTE характерна неоднородность их структур. Наряду с обычными макро и микросотами, пикосот в зданиях предполагают широкое использование фемтосот и распределенных антенных систем. Фемтосота (femtocell) ‒ это сота небольшого размера, устанавливаемая в квартире или офисе и обслуживаемая маломощной базовой станцией сотовой связи (мощность передатчика до 20 мВт). Такую станцию называют домашней базовой станцией Home eNodeB (HeNB).

Архитектура сети E-UTRAN с фемтосотами приведена на рис. 1.7.

54

Рис.1.7. Архитектура E-UTRAN с фемтосотами

Так как домашняя базовая станция располагается близко от мобильного терминала, последний работает с пониженной мощностью передатчика и значительно медленнее расходует заряд батареи. Как правило, в пределах комнаты на приемники UE и HeNB приходят радиосигналы с низким затуханием, что обеспечивает высокие отношения сигнал/помеха на входах приемников. Это дает возможность использовать в радиоканале высокоэффективные модуляционно-кодирующие схемы и технологии пространственного мультиплексирования (см. далее 2.3), что позволяют увеличить число подписчиков на высокоскоростные услуги 4G. Фемтосоты также применяют для локального расширения зоны действия сети в зонах сильного затухания сигнала или даже за пределами радиуса действия основной сети.

Фемтосоты отличаются от макро – пикосот разделением абонентов на группы и категории в зависимости от их прав на подключение к HeNB. Есть фемтосоты, доступные для всех категорий абонентов, а есть фемтосоты, доступные только для закрытых групп пользователей CSG (Closed Subscriber Group). Такие фемтосоты подключают только тех абонентов, которые прописаны в их HeNB. Каждой CSG оператор присваивает специальный идентификатор CSG ID. Наконец, есть фемтосоты с гибридным доступом (Hybrid Access). Такие соты доступны всем пользователям, но абонентам, которые в них прописаны (т.е. входящим в соответствующие CSG), предоставляют приоритетное обслуживание.

Следует отметить, что в Rel.10 спецификаций существенно расширены возможности обслуживания абонентов в фемтосотах. Так на рис. 1.7 находящиеся рядом фемтосоты соединены между собой посредством интерфейса Х2, как и макросоты. В Rel. 8-9 этого не было (см. [1, рис. 9.3]). Появление в структуре фемтосот интерфейса Х2 позволяет осуществлять между ними хэндовер, а также балансировку нагрузки.

Существуют 2 разных способа подключения фемтосот к сети. В первом варианте фемтосоты (HeNB) соединены с ядром сети ММЕ/S-GW (ЕРС) через специальный фемтошлюз HeNB GW посредством интерфейсов S1 (рис. 1.7, 1.8).

55

Рис.1.8. Подсоединение HeNB к ядру сети через фемтошлюз

При этом фемтошлюз обрабатывает только сообщения сигнализации, следующие по сигнальной части интерфейса S1-MME (S1-C), а для трафика (по S1-U) фемтошлюз прозрачен. На уровне протоколов со стороны ММЕ шлюз воспринимается как eNB, а со стороны HeNB как ММЕ. Для обеспечения защиты трафика и сигнальных сообщений на S1 между UE и фемтошлюзом организуют туннель на основе протокола IPSEC, а непосредственно в фемтошлюзе или перед ним размещают шлюз безопасности SeGW.(Security Gateway). Один фемтошлюз может обслуживать десятки и сотни HeNB. Процедуры предоставление услуг при таком способе подключения фемтосот к ядру сети ничем не отличаются от аналогичных процедур в макросотах, за исключением особенностей обслуживания абонентов закрытых пользовательских групп (CSG).

Второй способ подключения фемтосот состоит в использовании локального доступа к IP-сети LIPA (Local IP Access) для передачи трафика непосредственно из HeNB. При этом с ядром сети HeNB связана посредством интерфейса S5 (рис. 1.7), а обмен пакетами трафика с сетью идет через специальный локальный шлюз LIPA L-GW (Local Gateway) (рис. 1.9). Одновременно с LIPA HeNB поддерживает связь с ядром сети через интерфейс S1 для тех абонентов и соединений, для которых доступ к сети Интернет осуществляют через PDN GW. Спецификации LTE позволяют реализовывать разные сценарии, например, когда абонент скачивает на компьютер интерактивный трафик (файлы из Интернета) через PDN GW, а через LIPA принимает видео из локальной IP-сети.

56

Рис.1.9. Использование в фемтосети LIPA

Шлюз LIPA L-GW в большинстве вариантов встроен в HeNB, но может представлять собой отдельное устройство и даже принадлежать другому оператору. Интерфейс S5 – это интерфейс, разработанный для туннельного соединения между S-GW PDN GW (рис. 1.1). В структурах с LIPA его используют в основном для сигнального обмена. Если L-GW встроен в HeNB, то HeNB и L-GW могут иметь один IP-адрес. Для защиты информации на S5 применяют протокол IPSEC.

Функциональная структура сети с LIPA показана на рис. 1.10 [6].

Рис.1.10. Передача трафика в фемтосети с LIPA

Трафик через LIPA идет в обход ядра сети, что уменьшает нагрузку на интерфейсы S1-U и S5. Абоненты также могут получить выигрыш за счет снижения тарифов при обслуживании через LIPA. Однако пользователи LIPA должны иметь подписку на эту услугу, что фиксируется в HSS. Фактически абоненты, пользующиеся LIPA, входят в определенные выделенные группы (CSG). Спецификации предоставляют возможность реализовывать LIPA и для абонентов, находящихся в роуминге, но при условии подписки на эти услуги. Пока последняя версия спецификаций LTE Rel.11 не поддерживают хэндовер UE, обслуживаемых через LIPA.

57

LIPA в фемтосетях можно рассматривать как специально выделенный сценарий более общей технологии SIPTO (Selected IP Traffic Offload), что предусматривает отвод части трафика через локальные точки доступа из различных сот, от пикосот до макросот. Для этого могут быть использованы локальные PDN GW, обеспечивающие кратчайший путь для трафика конкретных UE (рис. 1.11).

Рис.1.11. Вариант реализации SIPTO

8. Управление частотным ресурсом в сетях LTE

Поскольку в сетях LTE используют динамическое управление ресурсом, планировщик также относится к классу динамических (Dynamic Packet Scheduler - динамический пакетный планировщик). Как было показано в гл.3, выделение ресурсных блоков (РБ) производят для каждого субкадра длительностью в 1 мс. В соответствии с указаниями планировщика для всех передаваемых потоков уровень МАС начинает выставлять в виде блоков на передачу пакеты различных потоков данных. При этом МАС определяет форматы транспортных блоков (число выделяемых ресурсных блоков и типы модуляционно-кодирующих схем). Решения о распределении канального ресурса планировщик принимает на основе установленных динамических приоритетов передач и сообщений CQI, передаваемых абонентскими станциями. При неприеме пакетов, используя технологию HARQ, планировщик решает, передать ли следующий блок данных абоненту или повторить непринятый. Комбинацию этих вариантов в одном субкадре не допускают.

Для увеличения пропускной способности системы используют технологию планирования передачи пакетов в частотной области FDPS (Frequency Domain Packet Scheduling). Принцип FDPS проиллюстрирован рис. 8.4.

58

Рис.8.4. Выделение канального ресурса в частотной области

В соответствии с постоянно поступающей информации о качестве приема (CQI), передаваемой вверх активными UE, планировщик выделяет абонентам ресурсные блоки в тех частях рабочей полосы, где условия приема наилучшие. При использовании FDPS возможен 40%-ый выигрыш в пропускной способности при низких скоростях перемещения UE, но при увеличении скоростей движения абонентов выигрыш уменьшается. Последнее обусловлено тем, что радиоканал не может быть точно отслежен в реальном времени из-за задержки на линии вверх при передачи CQI. При медленных перемещениях абонента планировщик может отслеживать быстрые селективные замирания на различных частотах рабочей полосы и выбирать для множества активных абонентов оптимальные варианты распределения канального ресурса от субкадра к субкадру.

Более сложно обстоит ситуация с распределением канального ресурса между соседними базовыми станциями, в частности между базовыми станциями, обслуживающими сектора одного eNB. Для снижения уровня соканальных помех при малой загрузке системы общий канальный ресурс может быть поделен между соседними сотами в соответствии с нагрузкой в этих сотах (рис. 8.5). Такое распределение РБ называют дробным (fractional).

Рис.8.5. Планирование в частотной области при дробном распределении канального ресурса

59

Однако на практике при нагрузке в сети, близкой к предельной, такое простое распределение канального ресурса не является оптимальным. Для сетей LTE разработаны различные механизмы управления уровнем соканальных помех в соседних сотах ICIC (Inter-Cell Interference Control). Механизмы ICIC основаны на динамическом распределении канального ресурса между сотами и управлении мощностью передачи. По интерфейсам Х2, соединяющим соседние eNB, идет обмен сообщениями об уровнях соканальных помех и другой информацией в рамках команд Х2-АР (рис. 2.3). Каждый eNB уведомляет соседние eNB о том, как он собирается использовать канальный ресурс для своих абонентов. При этом он учитывает информацию, полученную от планировщиков соседних eNB по интерфейсам Х2. На практике могут быть реализованы комбинации различных сценариев распределения канального ресурса.

При жестком дробном распределении канального ресурса весь ресурс разбивают на 3 части (коэффициент повторного использования частот равен 3) – рис.8.6. При сплошном покрытии территории используют трехсекторные структуры eNB (рис.8.7), где для простоты шестиугольные сектора заменены ромбами, а канальный ресурс поровну распределен между 3-мя секторами. На рис.8.7 показаны траектории, позволяющие определить отношение сигнал/суммарная помеха для абонентской станции в точке М, максимально удаленной от обслуживающего eNB (точка О на рис. 8.7). В точке М отношение сигнал/суммарная помеха будет наихудшим (минимальным), но при жестком дробном распределении канального ресурса оно в зависимости от условий распространения радиоволн может превышать 8 – 10 дБ.

Рис. 8.6. Метод жесткого повторного использования частотного ресурса

60

Мощность

Мощность

Мощность

Частота

Частота

Частота

Сектор №1

Сектор №2

Сектор №3

Рис. 8.7. К определению отношения сигнал/помеха при жестком

повторном использовании частотного ресурса

Однако жесткое дробное распределение канального ресурса резко снижает трафик в каждом секторе, а следовательно и в сети в целом. Поэтому на практике реализуют мягкое повторное использование частот (рис. 8.8).

Рис. 8.8. Метод мягкого повторного использования частотного ресурса

Идея метода состоит в том, что для UE, находящихся вблизи eNB, используют весь частотный ресурс (коэффициент повторного использования частот равен 1), но передатчики в этом случае работают с пониженной мощностью. Для станций, расположенных на границе сот, коэффициент

61

повторного использования частот равен 3, и в каждом секторе для обслуживания таких станций выделяют 1/3 общего канального ресурса. Помеховая ситуация для данного варианта проиллюстрирована рис. 8.9. Области, где коэффициент повторного использования частот равен 1, закрашены темным цветом. Для UE на границе соты (в точке М) отношение сигнал/суммарная помеха будет хуже, чем при жестком использовании канального ресурса (рис. 8.7). Однако, поскольку это отношение будет динамически меняться во времени, каждый eNB может адаптивно изменять области полного и частичного использования канального ресурса, менять используемые при передаче модуляционно-кодирующие схемы, достигая максимума передаваемого в сети трафика.

Рис. 8.9. К определению отношения сигнал/помеха при мягком повторном использовании частотного ресурса

Как было сказано в гл.4, выбор блоков на передачу, выбор модуляционно-кодирующей схемы и выделение ресурсных блоков осуществляет ПО уровня МАС. Весь этот процесс происходит в реальном времени под руководством планировщика (scheduler). Планировщик представляет собой программный продукт, разрабатываемый и поставляемый производителем аппаратуры. Назначение планировщика состоит в максимизации пропускной способности отдельных сот и сети в целом. Скорости, с которыми идет обмен данными между eNB и абонентскими терминалами, зависят от отношения сигнал/помеха на входах соответствующих приемников. Планировщик собирает данные о скоростях передачи, запрашиваемых различными UE, и решает, какие терминалы будут обслуживаться в каждом конкретном субкадре и с какими скоростями.

В каждом субкадре планировщик назначает приоритеты различным пользовательским каналам трафика, на основе которых идет выделение (или невыделение) канального ресурса конкретным абонентам. Основным алгоритмом работы планировщика является пропорционально-справедливый алгоритм.

. Приоритет m-го пользовательского канала для n-го субкадра рассчитывают по формуле

62

, (8.1)

где Rm(n) – скорость передачи данных, определяемая выбором модуляционно-кодирующей схемы в зависимости от отношения сигнал/помеха на входе соответствующего приемника,

Tm(n) – взвешенный объем ранее переданной информации по данному соединению. Значение Tm(n+1) для (n+1)-го субкадра определяют как

, если в субкадре n была передача,

, если в субкадре n не было передачи.

Величину tc называют окном передачи: это длительность передачи, выраженная числом субкадров. Уменьшая tc, можно повышать приоритет соединений, передаваемых в квазиреальном времени (потоковый трафик). Для соединений, которые не критичны к задержкам (tc велико), планировщик выбирает для передачи те субкадры, в которых может быть обеспечена максимальная скорость Rm(n).

Если для всех соединений установлен большой tc (в пределе ∞), то пропорционально-справедливый алгоритм максимизирует функцию.

, (8.2)

11. Стандарт IEEE 802.16 ‒ WiMAX. Основные характеристики

11.1. Развитие стандарта WiMAX

Стандарт WiMAX – Worldwide interoperability for Microwave Access, впервые появился в конце 2001г. В соответствии с иерархией стандартов беспроводного доступа он относится к классу MAN (Metropolitan Area Network). По пропускной способности, покрытию территории и предоставляемым услугам WiMAX превосходит стандарт Wi-Fi (IEEE802.11) класса LAN (Local Area Network), позволяя при развитой инфраструктуре организовывать региональные, национальные и даже глобальные сети.

На физическом уровне в стандарте WiMAX используют 2 принципиально разные технологии. Данные можно передавать, модулируя одну несущую частоту (SC – Single Carrier) или множество поднесущих – технология OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).При в режиме SC к радиоканалам предъявляют те же требования, что и в радиорелейных сетях: использование только прямых лучей и применением узконаправленных антенн, подавление всех отраженных лучей с целью устранения межсимвольной интерференции. Поэтому технологию SC невозможно применять в сетях массового пользования с многолучевым распространением радиоволн в каналах связи.

Переход к технологии OFDM, позволяющей устранить межсимвольную интерференцию, произошел в 2004г.после появления нового стандарта WiMAX: 802.16-2004. В следующей версии стандарта были существенно изменены

63

параметры OFDM. Был сделан переход к масштабируемой OFDM: число используемых поднесущих стало зависеть от рабочей полосы (SOFDM), а абоненту стали выделять определенное число подканалов (SOFDMA ‒ Scalable OFDM Access). Появилась возможность организации хэндоверов. Этот вариант стандарта WiMAX получил название мобильного WiMAX или стандарта 802.16е. Вариант 802.16е является основным в действующих сетях WiMAX. Последние 4 года его постоянно модернизировали. В частности он был дополнен стандартами 802.16i и 802.16j. Последний позволяет расширять действующие сети, используя ретрансляторы. Сейчас действует основной вариант спецификаций WiMAX от 29.05.2009: “IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Broadband Wireless Access Systems” [27].

В настоящее время завершается работа над новым вариантом стандарта WiMAX – 802.16m. Он предназначен для организации сетей с пропускной способностью выше 100 Мбмит/с и для поддержки ряда новых перспективных услуг. Этапы развития стандарта WiMAX представлены в табл. 11.1.

Таблица 11.1

Стандарт ПринятПолосы частот,

ГГцМобильность Технологии

Ширина канала,

МГц

802.16 12.2001 11 - 66 нетОдна несущая

(SC)20, 25, 28

802.16-2004 06.2004 2 - 11 нетSC или OFDM

(256)8

1,75; 3,5; 7; 14; 1,25; 5; 10; 15; 8,75

802.16е 12.2005

11 - 66

2 - 11 (фикс.)

2 - 6

(моб.)

есть

SC или OFDM (256), или

SOFDM (128, 512, 1024,

2048)

1,25; 5; 10; 20

802.16k 2007

11 - 66

2 – 11

(моб.)

есть

SC или OFDM (256), или

SOFDM (128, 512, 1024,

2048)

1,25; 5; 10; 20

802.16-2009 2009 Те же есть Те же + 802.16i Та же

802.16j 2009 Те же естьТе же +

ретрансляцияТа же

802.16m Разработка Ниже 3,6 есть SOFDMA 1 ‒ 20

11.2. Технологии, используемые в WiMAX

8 В скобках указано число используемых поднесущих.64

Варианты физического уровня и доступные технологии различных версий WiMAX описаны в табл. 11.2:

1. WirelessMAN - SC ( Single Carrier ) – вариант с передачей на одной несущей, работающий только в пределах прямой видимости на частотах выше 11 ГГц;

2. WirelessMAN - SCa – тоже вариант на одной несущей, работающий в пределах прямой видимости по принципу точка - многоточка в диапазоне 2 – 11 ГГц;

3. Wireless MAN - OFDM – вариант точка - многоточка при отсутствии прямой видимости и многолучевом распространении сигналов с использованием 256 поднесущих в диапазоне 2 – 11 ГГц;

4. Wireless MAN OFDMA (масштабируемая OFDMA) с использованием 128, 512, 1024 или 2048 поднесущих в зависимости от полосы радиоканала; вариант, работающий по схеме точка - многоточка при многолучевом распространении сигналов с возможным хэндовером при обслуживании подвижных абонентов.

5. WirelessHUMAN (High speed Unlicensed MAN); 2 – 11 ГГц; сети WiMAX в нелицензируемых диапазонах.

В вариантах 3 и 5 предусмотрены возможности организации Mesh-сетей с полновесной топологией для ускорения передачи трафика (возможна передача информации по временно организуемым соединениям, в том числе и межсистемным).

11.3. Стандарт 802.16е. Характеристики физического уровня

В основе стандарта мобильного WiMAX IEEE802.16e лежит технология SOFDMA Scalable OFDM Access), что предоставляет возможность выделять отдельным базовым и абонентским станциям не весь, а часть канального ресурса в соответствующей полосе рабочих частот. Кроме того, полный канальный ресурс (множество поднесущих частот) может быть разделен между несколькими соседними базовыми станциями, что позволяет организовывать хэндовер при перемещении абонентов от одной базовой станции к другой. По этой причине стандарт 802.16е часто называют мобильным WiMAX.

Второе отличие стандарта 802.16е от 802.16-2004 состоит в том, что число поднесущих меняется с изменением рабочей полосы. Это позволяет сохранить постоянным разнос частот между поднесущими и активную длину символа Tb. Согласно спецификациям в 802.16е определены полосы в 1,25; 5; 10 и 20 МГц (табл. 11.5).

Таблица 11.5

Параметр Характеристики OFDM

Номинальная полоса частотного канала, МГц

1,25 5 10 20

Число поднесущих 128 512 1024 2048

Отношение Tg/Tb 1/32, 1/16, 1/8, 1/4

Расширение полосы9 28/25

Разнос поднесущих, кГц 10,94 10,94 10,94 10,94

65

Активная длина символа, мкс 91,4 91,4 91,4 91,4

Защитный промежуток, мкс, при Tg/Tb = 1/8

11,4 11,4 11,4 11,4

Длина OFDM символа Ts= Tb+ Tg, мкс

102,9 102,9 102,9 102,9

Принципиальным отличием стандарта 802.16е является выделение канального ресурса в частотной области в виде подканалов. Стандартом предусмотрены различные варианты распределения канального ресурса. Наиболее часто используют режим PUSC (Partial Usage of Subcarriers). Этот режим является обязательным в начале каждого подкадра передачи вниз. Распределение поднесущих в режиме PUSC поясняет табл. 11.6. Защитные поднесущие по краям полосы и центральную поднесущую для передачи информации не используют. Оставшиеся поднесущие делят на минимальные канальные единицы, называемые кластерами.

Таблица 11.6

Полоса частотного канала, МГц 1,25 5 10 20

Число поднесущих 128 512 1024 2048

Число поднесущих в кластере 14 14 14 14

Число кластеров 6 30 60 120

Число подканалов 3 15 30 60

Поднесущие, используемые для передачи данных

72 360 720 1440

Пилотные поднесущие 12 60 120 240

Защитные поднесущие (слева/справа) 22/21 46/45 92/91 184/183

Каждый кластер образуют 14 расположенных рядом поднесущих. Формально один кластер всегда составлен из 2 последовательных OFDM символов, т.е. из 28 поднесущих, где на 24-х передают данные, а на 4-х – пилотные сигналы (рис. 11.5). Один подканал состоит из двух кластеров. В табл. 1.6 указано число формируемых кластеров и подканалов в зависимости от рабочей полосы. Нумерация физических кластеров начинается от нижней границы рабочей полосы частот и возрастает по мере увеличения частоты.

Рис. 11.5. Структура кластера при PUSC

Подканалы в PUSC создают на основе логических кластеров, для чего сформированные физические кластеры перенумеровывают. Спецификациями 802.16е предусмотрены различные варианты перенумерации. В табл. 11.7

9 Параметр, учитывающий увеличение расчетной полосы по отношению к номинальной. Из-за наличия защитных поднесущих по краям полосы помех между сигналами соседних полос не возникает.

66

приведен простейший вариант перенумерации, используемый в обязательной зоне PUSC в начале каждого подкадра вниз.

Таблица 11.7

Число подне- сущих в канале

Последовательность для перенумерации

2048

1024

512

128

Все логические каналы разбивают на 6 групп подканалов. Число и номера логических кластеров в группе зависит от рабочей полосы (табл. 11.8). Как следует из табл. 11.8, четные и нечетные группы при Ns=2048 и 1024 отличаются размерами. При Ns=2048 в четные группы включают 24 логических кластера, в нечетные – 16; при Ns=1024 12 и 8 логических кластеров соответственно.

Таблица 11.8

Число поднесущих Ns/ полоса в МГц

Группа подканалов

Номера кластеров

Номера подканалов

2048 / 20

0 0 - 23 0 - 11

1 24 - 39 12 - 19

2 40 - 63 20 - 31

3 64 - 79 32 - 39

4 80 - 103 40 - 51

5 104 - 119 52 - 59

1024 / 10

0 0 - 11 0 - 5

1 12 - 19 6 - 9

2 20 - 31 10 - 15

3 32 - 39 16 - 19

4 40 - 51 20 - 25

5 52 - 59 26 - 29

512 / 5 0 0 - 9 0 - 4

1 Не используют Не используют

2 10 - 19 5 - 9

3 Не используют Не используют

4 20 - 29 10 - 14

67

5 Не используют Не используют

128 / 1,25

0 0 - 1 0

1 Не используют Не используют

2 2 - 3 1

3 Не используют Не используют

4 4 - 5 2

5 Не используют Не используют

Подканал образуют, объединяя 2 кластера из одной группы. 2 кластера ‒ это 28 поднесущих в двух последовательно передаваемых символах; всего 56 символов (рис. 11.6). В режиме PUSC одной базовой станции могут быть выделены все каналы или их часть (одна или несколько групп). Это позволяет использовать частотное разнесение каналов внутри выделенной полосы и построить сеть WiMAX, аналогичную сетям сотовой связи.

Рис. 11.6. Схема организации подканалов в режиме PUSC

Стандарт 802.16е ориентирован на сплошное покрытие территории в виде сегментированной структуры (рис. 11.7). Алгоритм PUSC позволяет распределять общий канальный ресурс между различными БС так, чтобы обеспечить хэндовер при перемещениях абонентов, одновременно сохраняя максимальную пропускную способность сети. При построении сети WiMAX на основе секторизованных сот по умолчанию частоты главных групп с номерами 0,2 и 4 распределяют по разным секторам.

68

Рис. 11.7. Секторизованная структура

В направлении вверх при PUSC минимальной единицей канального ресурса является элемент - тайл (tile). Каждый тайл составлен из 4 поднесущих длительностью 3 OFDM-символа (рис. 11.8). На 8 поднесущих внутри элемента передают данные, 4 поднесущие используют для передачи пилотных сигналов.

Поднесущие

OFDM-символ 0

OFDM-символ 1

OFDM-символ 2

Пилотная поднесущая

Поднесущая данных

Рис. 11.8. Организация тайлов в направлении вверх

Далее производится разбивка на подканалы для передачи вверх. 6 тайлов образуют один подканал. При этом производят перенумерацию тайлов. В табл. 11.9 приведены данные о режиме PUSC вверх.

Таблица 11.9

Полоса частотного канала, МГц 1,25 5 10 20

Число поднесущих 128 512 1024 2048

Защитные поднесущие (слева/справа)

16/15 52/51 92/91 184/183

Число поднесущих для передачи данных и пилотных сигналов

96 408 840 1680

Число тайлов 24 102 210 420

Число подканалов 4 17 35 70

69

Обмен информацией по радиоканалу осуществляют в виде кадров. Длина кадра составляет от 2 до 20 мс. Передача может идти как с частотным, так и с временным дуплексом. При работе с частотным дуплексом для передач вниз и вверх используют разные частотные диапазоны. Ряд АС может работать в режиме частотного полудуплекса: прием и передача идут на разных частотах, но АС работает либо на прием, либо на передачу.

При временном дуплексе кадр делят на 2 подкадра: подкадр вниз (DL, от БС к АС) и подкадр вверх (UL, от АС к БС) (рис. 11.12). Между подкадрами вниз и вверх введен защитный интервал TTG (transmit/receive transition gap). Между концом предыдущего кадра и началом следующего также есть защитный интервал RTG (receive/ transmit transition gap). Длительность TTG и RTG должна быть не менее 5 мкс.

Рис. 11.12. Разделение канального ресурса при временном дуплексе.

Каждый подкадр вниз и вверх может быть поделен на различные зоны; в каждой зоне используют свой вариант разбиения канального ресурса. На рис. 11.12 представлен однозоновый вариант кадра: и вниз, и вверх подканалы организованы на основе технологии PUSC. Зона DL PUSC в начале подкадра вниз является обязательной; остальные – опциональны. Информацию об используемых в кадре зонах передают в DL MAP.

Первый OFDM-символ подкадра вниз – преамбула. Преамбулу передают для временной и частотной синхронизации, измерений отношения сигнал/помеха, оценки канала. Преамбула представляет собой псевдослучайную последовательность двоичных чисел, передаваемых посредством модуляции 2-ФМ. При PUSC все поднесущие разделены на 3 группы и каждая БС передает преамбулу в выделенной ей части частотного домена.

После преамбулы следует заголовок кадра FCH (Frame Control Header). Он содержит информацию об используемых поднесущих и защите информации в сообщении DL-MAP.

70

Далее передают карту нисходящего канала DL-MAP. Затем следуют отдельные пакеты (burst), первым из которых является UL-MAP (карта восходящего канала).

Cкорости передачи в зависимости от ширины канала и профиля передачи в табл. 11.13 (соотношение времени передачи вниз ко времени передачи вверх 3:1).

Таблица 11.13Ширина канала 1,25 МГц 5 МГц 10 МГц

Число поднесущих 128 512 1024

Модуляция и кодирование

Скорость передачи в Мбит/с

вниз вверх вниз вверх вниз вверх

4-ФМ, 1/2 0,504 0,154 2,520 0,653 5,040 1,344

4-ФМ, 3/4 0,756 0,230 3,780 0,979 7,560 2,016

16-КАМ, 1/2 1,008 0,307 5,040 1,306 10,080 2,688

16-КАМ, 3/4 1,512 0,461 7,560 1,985 15,120 4,032

64-КАМ, 1/2 1,512 0,461 7,560 1,985 15.120 4,032

64-КАМ, 2/3 2,016 0,614 10,080 2,611 20,160 5,376

64-КАМ, 3/4 2,268 0,691 11,340 2,938 22,680 6,048

64-КАМ, 5/6 2,520 0,768 12,600 3,264 25,200 6,720

12. Уровень МАС стандарта IEEE 802.16e

Физический уровень стандарта IEEE802.16 (L1) обеспечивает непосредственную доставку потоков данных между БС и АС. Все задачи, связанные с формированием структур этих данных, а также управлением передачей потоков решаются на MAC-уровне (Medium Access Control).

Оборудование стандарта IEEE 802.16 формирует транспортную среду для передачи потоков различных услуг (сервисов). Поток услуги (service flow) – центральная концепция МАС-протокола.

Общая задача, решаемая уровнем МАС, – это механизм поддержки разнообразных услуг верхнего уровня. Разработчики стандарта стремились создать единый для всех приложений протокол MAC-уровня, независимо от особенностей физического канала (рис.12.1). Это существенно упрощает связь терминалов конечных пользователей с кабельными сетями передачи данных.

Физически среды передачи в разных соединениях сети могут быть различны, но структура данных едина. В одном канале могут работать (не единовременно) десятки различных абонентских терминалов. Абонентам необходимы самые разные сервисы (приложения) в виде соединений по протоколу IP. Качество услуг (QoS) каждого отдельного соединения не должно изменяться при передаче информации через сети IEEE 802.16е. Алгоритмы и механизмы доступа МАС-уровня должны решать эти задачи.

Структурно МАС-уровень IEEE 802.16 разделен на три подуровня (рис.12.1):

- подуровень преобразования потоков услуг (CS Convergence Sublayer);

- основной подуровень (CPS Common Part Sublayer);

- подуровень защиты (PS Privacy Sublayer)

71

Рис.12.1. Структура МАС-уровня стандарта IEEE 802.16

На подуровне защиты реализуют функции, обеспечивающие криптозащиту данных и механизмы аутентификации/предотвращения несанкционированного доступа. Для этого предусмотрены наборы алгоритмов криптозащиты и протокол управления ключами шифрации.

На подуровне преобразования потоков услуг происходит трансформация потоков данных протоколов верхних уровней для передачи по сети WiMAX. Для каждого типа приложений верхних уровней стандарт предусматривает свой механизм преобразования. При этом на уровне L2 можно реализовать различные протоколы пакетной передачи данных: АТМ, РРР, IEEE 802.3 (Ethernet).

Все услуги разделены на классы и для каждого класса специфицированы качественные показатели QoS (Quality of Service). Характеристики QoS определяют:

- приоритетность трафика,- допустимые задержки,- надежность передачи,- требуемые скорости передачи: максимальную поддерживаемую скорость

трафика и минимальную зарезервированную скорость,- допустимый временной джиттер (неравномерность в периодичности

доставки пакетов)

При организации транспортного соединения каждому потоку данных (service flow) присваивают SFID (Service Flow Identifier) (32 бита). При назначении SFID устанавливают значения параметров QoS, индивидуально в направлениях вверх и вниз. Эти параметры могут быть совершенно разными, например, при однонаправленной передаче видеотрафика.

Работу по выделению канального ресурса с учетом обеспечения QoS выполняет планировщик (scheduler). Это ПО в базовой станции, поставляемое производителем аппаратуры. При организации передачи вниз (БС→АС) планировщик всегда имеет полную информацию о всех обслуживаемых потоках данных и может оптимизировать распределение канального ресурса. При

72

организации передач вверх (АС→БС) специфицировано 5 типов трафика в зависимости от их приоритета и требованиям к задержкам. В трех из них предусмотрен опрос (polling) АС с тем, чтобы оперативно изменять выделяемый конкретной АС канальный ресурс:

UGS – Unsolicited Grant Service: передача в реальном времени сигналов и потоков телефонии (Е1) и VoIP; допустимая задержка менее 5 – 10 мс в одном направлении при BER = 10-6… 10-4,

ertPS – extended real time Polling Service, предназначена для передачи вверх телефонии с использованием детектора речевой активности абонента,

rtPS – real time Polling Service: передача потоков реального времени с пакетами переменной длины (например, видео),

nrtPS – non-real-time Polling Service: поддержка потоков переменной длины при передаче файлов в широкополосном режиме,

BE – Best Effort: остальной трафик.

На рис.12.2 указаны операции, выполняемые на отдельных подуровнях уровня МАС.

Подуровень преобразования

- Упаковка PDU для нижестоящего уровня

- Распаковка PDU для вышестоящего уровня

Общая часть МАС

- Ввод и подавление заголовков

- Режим запроса повторной передачи

- Фрагментация

- Установление соединения/разъединения

- Управление качеством (QoS)

- Многопользовательские услуги

- Соединение/разъединение с сетью

- Управление предоставляемой полосой частот

Подуровень безопасности

- Поддержка режима шифрации

- Обмен данными при переходе к шифрации

- Обмен ключом авторизации

- Взаимная аутентификация

Рис.12.2. Основные операции на уровне МАС.

Для оптимизации транслируемых потоков предусмотрен специальный механизм удаления повторяющихся фрагментов заголовков PHS (Payload Header

73

Suppression) IP-дейтаграмм и АТМ ячеек, которые восстанавливают на приемном конце.

Информационное сообщение поступает на БС в виде потока пакетов SDU (Service Data Unit). На верхнем подуровне (рис.12.2) SDU преобразуют в МАС PDU (Protocol Data Unit), причем несколько SDU, передаваемых одному абоненту, могут быть упакованы в одном PDU. Далее пакеты данных MAС PDU передают на физический уровень и транслируют по каналу связи. Каждому активному соединению присваивают идентификатор CID (Connection Identifier) длиной 16 бит. Каждому SFID соответствует свой CID.

14. Архитектура построения сети WiMAX

14.1. Базовая модель сети

Спецификации стандарта WiMAX определяют передачу трафика и сигнальный обмен только на радиоинтерфейсе. Что касается соединения БС с Интернетом, сетями беспроводного доступа и сетями различных операторов, решения по архитектуре сети принимает оператор совместно с производителем. С целях унификации и определенной оптимизации WiMAX Forum предложена базовая архитектура сети (рис.14.1) [28].

На рис 14.1 показана NRM (Network Reference Model – базовая модель сети) WiMAX, которая является логическим представлением сетевой архитектуры. NRM разделяет систему на три логические части:

1. абонентские станции, используемые абонентами для получения доступа к сети;

2. ASN (Access Services Network) – сеть доступа к услугам, которая является собственностью оператора доступа к сети (NAP – Network Access Provider); ASN состоит из одной или нескольких базовых станций, которыми управляет один или несколько шлюзов ASN (ASN-GW).

3. CSN (Connectivity Services Network) – подсеть оператора, обеспечивающая выход на IP и другие сети для реализации абонентских услуг. Эта подсеть обеспечивает необходимые коммутационные функции и функции безопасности. Абонента может обслуживать оператор домашней сети NSP (Network Services Provider). Абонент может также находиться в роуминге. В этом случае его обслуживает оператор визитной сети; при этом происходит обмен сигнальной информацией CSN визитного и домашнего оператора.

74

Рис.14.1. Базовая модель сети

ASN выполняет следующие функции:

соединение на уровне L2 с АС;

поиск и выбор сети на основе предпочтений абонента о CSN/NSP;

обеспечение безопасности: передача данных об устройствах, пользователях, и услугах, серверу безопасности, временное хранение профилей пользователей;

организация сквозных IP-соединений между АС и CSN;

управление радиоресурсом (RRM) в соответствии с классом трафика и требуемым QoS;

обеспечение мобильности, т.е. выполнение процедур хэндовера, локализации и пейджинга.

WiMAX Forum определил различные способы организации ASN, получившие название профилей. Существуют профили A, B, C. Шлюз ASN представляет логическое устройство, которое может быть организовано по разному. Профиль B ASN представляет простую организацию, которая включает БС и шлюз ASN. Профили A и C разделяют функции между БС и шлюзом ASN по-разному, а именно в управлении мобильностью и радиоресурсами.

Функционально БС определяют как один сектор с выделенным частотным диапазоном, обеспечивающим интерфейс IEEE 802.16e с АС. Дополнительные функции, выполняемые БС в обоих профилях, включают распределение для восходящего и нисходящего каналов, классификацию трафика и SFM (управление сервисным потоком). При этом должны быть выполнены требования по QoS для различных классов трафика, передаваемых по радиоинтерфейсу. БС также управляет статусом АС (активный, неработающий), поддерживает туннельный протокол в направлении к шлюзу ASN, обеспечивает с помощью сервера DHCP динамическими адресами. БС также транслирует сигнальный обмен по протоколам MM обеспечивая все уровни защиты предусмотренные стандартом.

75

БС может быть подключена одновременно к двум шлюзам для баланса нагрузки для баланса нагрузки.

Шлюз ASN является основным элементом сети. Во время сеансов связи шлюз организует хэндовер абонентом и пейджинг АС, управляет доступом к сети. Для каждого подсоединенного абонента в шлюзе открыта база данных, содержащая профили абонента и ключи шифрования. На шлюз возложены задачи авторизации потока услуг согласно профилю абонентов и QoS. В направлении БС шлюз поддерживает туннельное соединение; в направлении ядра сети (CSN) шлюз организует соединение по стандартному IP протоколу.

76