Komunikační systémy pro perspektivní kmitočtová pásma
LTE Advanced Jan Prokopec Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně
Long Term Evolution - LTE
Obsah prezentace
1
Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Fyzická vrstva dle Release 8 Frekvenˇcní pásma Rádiové rozhraní Základní parametry fyzické vrstvy Používané modulace Diverzita a prostorový multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access pro downlink Single Carrier Frequency Division Multiple Access
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ Hybridní ARQ Cyclic Redundancy Check Kanálové kódování a rate matching Mapování fyzických kanálu do resource grid Scheduling LTE Time Divission Duplex
Vrstvový model LTE Srovnání LTE s ostatními standardy Self Organizing Networks
2
LTE Advanced
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
1 / 104
Long Term Evolution - LTE
Základní vlastnosti LTE-SAE
Obsah prezentace
1
Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Fyzická vrstva dle Release 8 Frekvenˇcní pásma Rádiové rozhraní Základní parametry fyzické vrstvy Používané modulace Diverzita a prostorový multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access pro downlink Single Carrier Frequency Division Multiple Access
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ Hybridní ARQ Cyclic Redundancy Check Kanálové kódování a rate matching Mapování fyzických kanálu do resource grid Scheduling LTE Time Divission Duplex
Vrstvový model LTE Srovnání LTE s ostatními standardy Self Organizing Networks
2
LTE Advanced
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
2 / 104
Long Term Evolution - LTE
Základní vlastnosti LTE-SAE
Motivace
ˇ CS/PS zpetná podpora u WCDMA Interference mezi uživateli Výhody OFDM pro mobilní pˇríjem Propustnost síteˇ na ˇ rozhraní bunek Cell Breathing TDD/FDD funkcionality spektrální flexibilita výhled až do roku 2020 to dobré z UMTS použít...
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
3 / 104
Long Term Evolution - LTE
Základní vlastnosti LTE-SAE
Latence WCDMA
složitá struktura UTRAN/GERAN velké množství logických, transportních a fyzických kanálu˚ dlouhý Transmission Time Interval (TTI), vylepšení u HSPA Modulace pouze QPSK, postupneˇ implementovány další typy MQAM modulací ˇ problémy a pˇridelováním vyhrazených kanálu˚ omezené množství kódu˚ z Walshova stromu
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
4 / 104
Long Term Evolution - LTE
Základní vlastnosti LTE-SAE
2G / 3G Mobile Layer 3
Basestation Layer 1
Layer 2
Synchronisation
Broadcast
Access Request Negotiation
Ready
Grant
Link Request Negotiation
Ready
Grant
Mobility
Negotiation
Bearer setup
Negotiation
Grant Ready Slide 11
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
5 / 104
Long Term Evolution - LTE
Základní vlastnosti LTE-SAE
LTE Mobile Layer 3
Basestation Layer 1
Layer 2
Synchronisation
Broadcast
Access Request
Piggybacked setup request Bearer setup Mobility
Negotiation
Ready
Grant
Bearer setup Mobility Link Request Negotiation
Ready
Ready
Ready
(Less time wasted getting you onto the internet…)
Slide 12
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
6 / 104
Long Term Evolution - LTE
Základní vlastnosti LTE-SAE
Evoluce mobilních sítí
ˇ Zmena modulace (GPRS ⇒ EDGE) Dual Carrier (EDGE ⇒ EDGE II ) Vylepšení MAC vrstvy (HARQ) Zkrácení TTI Využití MIMO anténních systému˚ EDGE II, HSPA, HSPA+
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
7 / 104
Long Term Evolution - LTE
Základní vlastnosti LTE-SAE
Požadavky pro LTE
Jako reference HSPA Rel. 6 Peak data rates Downlink ≈ 100 Mbps vs. 14 Mbps Uplink ≈ 50 Mbps vs. 5.76 Mbps
Nízká latence RTT ≤ 10 ms Call setup ≤ 50 ms Intersystem HO ≤ 500 ms
Variable system bandwidth 1,4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz Kapacita systému 2 - 4 krát lepší Beamforming, MIMO, mobilita
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
8 / 104
Long Term Evolution - LTE
Základní vlastnosti LTE-SAE
ˇ vzhuru... Smele ˚
DL LTE(20MHz) 300M
Downlink Speeds DL LTE(20MHz) 140M
Mbps
100 Mbps MIMO/64QAM 42M
UL LTE (10MHz) 50M
MIMO 2x2 28M
UL LTE (10MHz) 25M HSDPA 14.4M
10 Mbps
HSDPA 3.6M HSDPA 1.8M
100 kbps 2004
Uplink Speeds
HSUPA 5.6M
• HSPA DL and UL peak throughputs expected to double every year on average 0ESV
HSUPA 1.5M
1 Mbps DL R’99-384k
Mbps
HSUPA/16QAM 11M
HSDPA 7.2M
• Limitations not induced by the technology itself but time frames required to upgrade infrastructure and transport networks, obtain devices with corresponding capabilities and interoperability tests
UL R’99 384k
kbps
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
Mooreuv ˚ zákon pro bezdrátové síteˇ
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
9 / 104
Long Term Evolution - LTE
Základní vlastnosti LTE-SAE
... k teoretickým pˇredpokladum ˚ ...
6 Shannon bound Shannon bound with 3dB margin HSDPA EV-DO IEEE 802.16e-2005
Achievable Efficiency (bps/Hz)
5
4
3
2
1
0 -15
-10
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
-5
0 5 Required SNR (dB)
MSMK
10
15
20
ˇ kveten 2012
10 / 104
Long Term Evolution - LTE
Základní vlastnosti LTE-SAE
... už na dohled
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
11 / 104
Long Term Evolution - LTE
Základní vlastnosti LTE-SAE
Struktura LTE-SAE
Podpora IP protokolu Gateway do IP sítí HSS Home Subscriber Server/HLR SGSN pro GPRS a WCDMA Pˇripojení ostatních bezdrátových technologií EPC Evolved Packet Core EPS Evolved Packet System IMS IP Multimedia Subsystem
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
12 / 104
Long Term Evolution - LTE
Základní vlastnosti LTE-SAE
Architektura LTE eUTRAN evolved UTRAN eNodeB UE eNodeB pˇrebírá funkcionality RNC Zakonˇcení všech protokolu˚ RAN Zjednodušená topologie zrychluje odezvu Pouze PS VoIP PCRF Policy and Charging Resource Function SAE System Architecture GW SGW Serving GW PGW Packet GW
MME Mobility Management Entity
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
13 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
Obsah prezentace
1
Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Fyzická vrstva dle Release 8 Frekvenˇcní pásma Rádiové rozhraní Základní parametry fyzické vrstvy Používané modulace Diverzita a prostorový multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access pro downlink Single Carrier Frequency Division Multiple Access
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ Hybridní ARQ Cyclic Redundancy Check Kanálové kódování a rate matching Mapování fyzických kanálu do resource grid Scheduling LTE Time Divission Duplex
Vrstvový model LTE Srovnání LTE s ostatními standardy Self Organizing Networks
2
LTE Advanced
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
14 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
Frekvenˇcní pásma pro párované spektrum FDD
Kapacita síteˇ vs. pokrytí oblasti Oznaˇcení Pásmo 1 Pásmo 2 Pásmo 3 Pásmo 4 Pásmo 5 Pásmo 6 Pásmo 7 Pásmo 8 Pásmo 9 Pásmo 10 Pásmo 11 Pásmo 12 Pásmo 13 Pásmo 14 Pásmo 17 Pásmo 18 Pásmo 19
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
Frekvenˇcní pásmo 2100 MHz 1900 MHz 1800 MHz 1700 MHz 850 MHz 800 MHz 2600 MHz 2100 MHz 1700 MHz 1700 MHz 1500 MHz US700 MHz US700 MHz US700 MHz US700 MHz Japan800 MHz Japan800 MHz
Celková šíˇrka 2×60 MHz 2×60 MHz 2×75 MHz 2×45 MHz 2×25 MHz 2×10 MHz 2×70 MHz 2×35 MHz 2×35 MHz 2×60 MHz 2×25 MHz 2×18 MHz 2×10 MHz 2×10 MHz 2×10 MHz 2×15 MHz 2×15 MHz
MSMK
Uplink [MHz] 1920-1980 1850-1910 1710-1785 1710-1755 824-849 830-840 2500-2570 880-915 1749.9-1784.9 1710-1770 1427.9-1452.9 688-716 777-787 788-798 704-716 815-830 830-845
Downlink[MHz] 2110-2170 1930-1990 1805-1880 2110-2155 869-894 875-885 2620-2690 925-960 1844.9-1879.9 2110-2170 1476.9-1800.9 728-746 746-756 758-768 734-746 860-875 875-890
ˇ kveten 2012
15 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
Frekvenˇcní pásma pro nepárové spektrum TDD
Vyšší kapacita síteˇ Oznaˇcení Pásmo 33 Pásmo 34 Pásmo 35 Pásmo 36 Pásmo 37 Pásmo 38 Pásmo 39 Pásmo 35
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
Frekvenˇcní pásmo UMTS TDD1 UMTS TDD2 US 1900UL US 1900DL US 1900 2600 UMTS TDD 2300
MSMK
Celková šíˇrka 1 x 20 MHz 1 x 15 MHz 1 x 60 MHz 1 x 60 MHz 1 x 20 MHz 1 x 50 MHz 1 x 40 MHz 1 x 100 MHz
Uplink [MHz] 1900-1920 2010-2025 1850-1910 1930-1990 1910-1930 2570-2620 1880-1920 2300-2400
ˇ kveten 2012
16 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
Pˇrehled parametru˚ fyzické vrstvy
Obrázek: Variabilita frekvenˇcního kanálu a možnosti duplexního provozu [?]
šíˇrka kanálu [MHz] poˇcet Resource blocks Modulace
Downlink Uplink
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MIMO
Downlink MSMK
1.4 6
3 15
5 25
10 50
15 75
20 100
QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM, 64QAMa 2 × 2, 4 × 4 ˇ kveten 2012
17 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
Používané modulace pro Traffic Channels, PDSCH, PUSCH
1 0.8
Vnitˇrní modulace OFDM symbolu
0.6 0.4
Adaptive Modulation and Coding (CQI) ˇ Rídící kanály používají modulace s nižším poˇctem stavu˚
0.2
Pro uplink je 64QAM volitelná
Q phase
QPSK, 16QAM, 64QAM
0 −0.2 −0.4 −0.6 −0.8 −1 −1
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
−0.8
MSMK
−0.6
−0.4
−0.2
0 0.2 I phase
0.4
0.6
0.8
ˇ kveten 2012
1
18 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
Modulation BER, no coding
0
10
Mobilní nebo statický uživatel
16QAM, R 16QAM, R div QPSK, A QPSK, R
−1
10
fmax =
v cos(θ) λ
Vícecestné šíˇrení
BER
Doppleruv ˚ posuv −2
10
−3
10
a mnoho dalších vlivu˚ ... −4
10
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
0
MSMK
2
4
6
8 10 Eb/N0 [dB]
12
14
16
18
ˇ kveten 2012
19 / 104
Long Term Evolution - LTE
Transmitter
t0
Fyzická vrstva dle Release 8
Tx
SISO
Rx
Tx
SIMO
Rx
Tx
MISO
Rx
Tx
MIMO
Rx
Receiver
t
τ1
τ2 τ 3
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
τ4
t
MSMK
ˇ kveten 2012
20 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
A1
A1 A2
PedA
PedB
A3 A5 A4
A2
A3
A4
A6 τ4 τ1 τ2 τ3
τ1 τ2
t
τ3
τ5
τ6
t
τ4
A1 A2 A3 A4
VehA
A5
A6
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
21 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
Single Input Single Output dynamika úrovneˇ pˇrijatého signálu ˇ mestské prostˇredí, rychlost chodce, fDmax = 10Hz
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
22 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
Single Input Single Output dynamika úrovneˇ pˇrijatého signálu ˇ mestské prostˇredí, rychlost vozidla, fDmax = 100Hz
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
23 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
Single Input Multiple Output
1 Tx + M Rx antén Vytvoˇrení nekorelovaných pˇrenosových kanálu˚ ˇ signálu Ruzné ˚ typy pˇríjmu, základním typem je výber Switching Diversity Selecting Diversity
se znalostí vysílaného signálu lze využít adaptivní pˇrístup Maximum Ratio Combining Minimum Mean Square Error
Interference Rejection Combining pˇri použití beamformingu pˇrijímací antény Pˇri výskytu výrazných zdroju˚ rušení
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
24 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
Multiple Input Single Output
M Tx + 1 Rx anténa ˇ Vysílací diverzita se zpetnou vazbou ˇ na vysílací stranu Channel-State Information (CSI) se pˇrenáší nezávislým kanálem zpet Nastavení adaptivních vah na vysílací straneˇ Není vhodné pro systémy s velkou mobilitou Nespolehlivost pˇrenosu CSI zpusobuje ˚ pokles SNR
ˇ Vysílací diverzita bez zpetné vazby ˇ efektivního pˇríjmu Na vysílací straneˇ jsou signály pˇredzpracovány pro zajištení Kombinace s cˇ asovou nebo frekvenˇcní diverzitou CDD Cyclic Delay Diversity STTD, SFTD (Space Time/Frequency Diversity) STBC, SFBC (Space Time/Frequency Block Coding) FSTD Frequency Shift Time Diversity
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
25 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
Multiple Input Multiple Output
H n1 h1,1 s1
ˆ s1
r1
h1,2
Tx
Rx h2,1 s2
r2
h2,2
ˆ s2
n2 R=
r1 r2
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
=
h1,1 h2,1
h1,2 h2,2
s1 n1 · + = Hs + n s2 n2
MSMK
ˇ kveten 2012
26 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
Spektrální a výkonová úˇcinnost
C = B log2
S 1+ N
Spektrální úˇcinnost γ=
fb B
[bps/Hz] Poˇcet bitu˚ na symbol Nutno odeˇcíst pilotní nosné ˇ spektrální úˇcinnost systému V závislosti na šíˇrce kanálu se mení Overhead ˇrídících kanálu˚ Výkonová úˇcinnost
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
27 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
Spectral Efficiency (bps/Hz/sector)
Spektrální úˇcinnost pro Downlink
Future improvements
2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
LTE 4X4 MIMO
LTE 4X2 MIMO Future improvements
LTE 2X2 MIMO
HSPA+ SIC, 64 QAM
Future improvements Rel 1.5 4X2 MIMO
Future improvements
Rel 1.5 2X2 MIMO
Rev B Cross-Carrier Scheduling
HSPA+ 2X2 MIMO HSDPA MRxD, Equalizer
Rel 1.0 2X2 MIMO
Rev A, MRxD, Equalizer
HSDPA
EV-DO Rev 0
UMTS R’99 UMTS/HSPA
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
LTE
CDMA2000
MSMK
WiMAX
ˇ kveten 2012
28 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
Spektrální úˇcinnost pro Uplink
Spectral Efficiency (bps/Hz/sector)
1.0 LTE 1x4 Receive Diversity
0.9
Future Improvements
0.8
Rel 1.5 1X4 Receive Diversity
0.7 0.6
LTE 1X2 Receive Diversity
Future Improvements
0.5
HSPA+ Interference Cancellation, 16 QAM
0.4
Future Improvements Rel 1.5 1X2 Rx Div
EV-DO Rev B, Interference Cancellation
Rel 1.0
0.3 0.2
HSUPA Rel 6
0.1
UMTS R’99 to Rel 5
UMTS/HSPA
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
EV-DO Rev A EV-DO Rev 0 LTE
CDMA2000
MSMK
WiMAX
ˇ kveten 2012
29 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
OFDM sin(pf/f ) (pf/f )
Subcarrier spectrum
2
Pulse shape
Tu 1/f
4f 3f 2f f
Time domain
x(t) =
NX c −1 k =0
0
f
2f
3f
4f
Frequency domain
xk (t) =
NX c −1
(m)
ak
exp (j2πk ∆ft)
k =0 f 1/Tu
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
30 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
OFDM modulátor s využitím IFFT
MQAM
MUX
[ak , bk ]
.. .
IFFT
.. .
DEMUX
[ak , bk ] [ak +1 , bk +1 ]
. . . 100011101011 . . .
OFDM
CP
[ak +N , bk +N ] S(f )
Vnitˇrní modulátor subnosné
s(t)
IFFT pro N = 2n problém s ISI a ICI
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
31 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
Vkládání cyklického prefixu Copy and insert a0 OFDM mod. (IFFT ) aN
c1
CP insertion Tu Tcp (N NCP samples)
Tu (N samples)
TCP t
Tu
Direct path Reflected path t
Integration interval for demodulation of direct path
Ideal
Ideal
a) 0
t
t No ISI, ICI
Tg ISI d)
b) 0
0
t
τ
τ No ISI, No ICI
Tg No ISI e)
c) 0
τ
0
t
t
τ
CP
CP
t
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
32 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
Single wideband carrier
OFDM signal Subcarrier experiencing very bad channel quality
Power density (dBm/30 kHz)
30.0 OFDM
20.0 10.0 0.0 ⫺10.0 ⫺20.0 WCDMA
⫺30.0 ⫺40.0
⫺50.0 ⫺3.5 ⫺3.0 ⫺2.5 ⫺2.0 ⫺1.5 ⫺1.0 ⫺0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Frequency (MHz)
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
33 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
Modulátor OFDMA pro LTE
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
34 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
OFDMA struktura RB se skládá z 12 subnosných po 15 kHz RB se skládají okolo DC subcarrier ve stˇredu pásma
One resource block (12 subcarriers, 180 kHz)
f 15 kHz DC - subcarrier
NRB resource blocks (12NRB 1 subcarrier)
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
35 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
ˇ eˇ frekvenˇcní struktura pro FDD Casov 1 frame frame 10 ms
1 ms #0
#1
#2
#3
#4
#5
#6
#7
#8
#9
Resource Element 1 OFDM symbol
12 s
12
ub
su
bc
arr
ca rrie rs,
ier
∆f
s, 1
80
15 k
kH
Hz
z
12 sub × 7 sym = 1 resource block
1 slot, 0.5 ms 1 subframe, 1 ms
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
36 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
Souhrn cˇ asoveˇ frekvenˇcní struktury pro FDD
1 rádiový rámec (Radio Frame), doba trvání 10 ms 10 subrámcu, ˚ doba trvání 1 ms 1 subrámec obsahuje 2 sloty po 0.5 ms 1 slot x 12 subnosných je 1 Resource block 1 slot obsahuje 7 (normální cyklický prefix) nebo 6 (prodloužený cyklický prefix) OFDM symbolu˚ 1 OFDM symbol na 1 subnosné je Resource Element frekvenˇcní rozestup subnosných je 15 kHz, pro MBMS síteˇ lze použít i ∆f = 7.5kHz
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
37 / 104
Long Term Evolution - LTE
Fyzická vrstva dle Release 8
SC-FDMA
N-bodová DFT podle poˇctu RB Subcarrier mapping, padding Localized Distributed
M - point IDFT = IFFT M = 2n J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
38 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Obsah prezentace
1
Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Fyzická vrstva dle Release 8 Frekvenˇcní pásma Rádiové rozhraní Základní parametry fyzické vrstvy Používané modulace Diverzita a prostorový multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access pro downlink Single Carrier Frequency Division Multiple Access
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ Hybridní ARQ Cyclic Redundancy Check Kanálové kódování a rate matching Mapování fyzických kanálu do resource grid Scheduling LTE Time Divission Duplex
Vrstvový model LTE Srovnání LTE s ostatními standardy Self Organizing Networks
2
LTE Advanced
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
39 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Funkce PHY vrstvy - Downlink 1 or 2 transport blocks of dynamic size per TTI
Modulation scheme
CRC
MAC Error indication
Hybrid-ARQ info
PHY
Redundancy version
Hybrid-ARQ
MAC ACK/NAK
Redundancy version
Hybrid-ARQ info
MAC scheduler
ACK/NAK
Hybrid-ARQ
PHY
CRC check
Coding, rate matching
Decoding
Data modulation
Data demodulation
Antenna mapping
Antenna demapping
Resource mapping
Resource demapping
eNodeB
mobile terminal
Antenna assignment Resource assignment
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
40 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
PHY Downlink
Fyzická vrstva provádí funkce kódování, modulace, mapování na antény a mapování Resource blocks podle ˇrízení z MAC vrstvy do UE je nutné pˇredat informaci o použitém režimu HARQ HARQ informace se pˇredávájí pomocí BCH Pˇrenáší se 1 nebo 2 (MIMO) transportní bloky v jednom TTI
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
41 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Funkce PHY vrstvy - Uplink
1 transport blocks of dynamic size per TTI
ACK/NAK
PHY
CRC check
Redundancy version
Hybrid-ARQ
MAC Error indication
Redundancy version
Decoding Modulation scheme
Data demodulation
Resource assignment Resource demapping
eNodeB
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MAC PHY
CRC
Coding, rate matching From Node B scheduler
MAC scheduler
ACK/NAK
Hybrid-ARQ
Modulation scheme
Data modulation
Resource assignment Resource mapping
mobile terminal (UE)
MSMK
ˇ kveten 2012
42 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
PHY Uplink
ˇ LTE nepodporuje MIMO pro uplink, proto se zpracovává pouze 1 transport block behem TTI Parametry pro modulaci a mapování jsou získány z ˇrídících informací pˇredaných schedulerem na downlinku odpadá mapování na antény Standard definuje Multiuser MIMO
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
43 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Hybrid ARQ
Komunikace s potvrzeným pˇrenosem ACK/NACK - ARQ Automatic Repeat Request FEC kódování ˇ FEC pˇri opakovaném pˇrenosu informace nebo redundantních HARQ spojuje možnost zmeny bitu˚ Zvyšuje propustnost systému Dva základní typy Chase Combining (Soft Combining) Incremental Redundancy
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
44 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Chase combining I
Info bits CRC insertion, rate-3/4 error-correcting coding Coded bits
Transmitted bits Initial transmission
First retransmission
Second retransmission
Third retransmission
Bits input to decoder Accumulated energy Resulting code rate
Eb
2Eb
3Eb
4Eb
R ⫽ 3/4
R ⫽3/4
R ⫽3/4
R ⫽3/4
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
45 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Chase Combining II
Vstupní bity jsou kódovány a pˇripojeno CRC Pˇri opakovaném pˇrenosu se pˇrenáší stejný blok dat a zabezpeˇcení ˇ Eb /N0 Na straneˇ pˇrijímaˇce dochází ke zvyšování pomeru ˇ Zustává ˚ stejný kódový pomer ˇ Zvýšením SNR se zvyšuje pravdepodobnost správného dekódování
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
46 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Incremental redundancy
Info bits CRC insertion, rate-1/4 error-correcting coding Coded bits Puncturing to generate different redundancy versions Transmitted bits Redundancy version 1
Redundancy version 2
Redundancy version 3
Redundancy version 1
Initial transmission
First retransmission
Second retransmission
Third retransmission
Bits input to decoder Accumulated energy Resulting code rate
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
Eb
2Eb
3Eb
4Eb
R ⫽ 3/4
R ⫽3/8
R ⫽1/4
R ⫽ 1/4
MSMK
ˇ kveten 2012
47 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Incremental redundancy II
ˇ ˇ zabezpeˇcení Kódování s menším kódovým pomerem = vetší ˇ zabezpeˇcení Pomocí teˇckování (Puncturing, Bit Pruning) se mení ˇ SNR Opakovaným pˇrenosem se zvyšuje úrovenˇ zabezpeˇcení a zvyšuje pomer Poˇcet retransmisí je typicky 3 + první pˇrenos
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
48 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Používané typy kódování pro transportní kanály
ˇ Kódový pomer
Transport Channel (TrCH)
Použité kódování
Uplink Shared Channel (UL-SCH) Downlink Shared Channel (DLSCH) Paging Channel (PCH)
Turbo Coding
1/3
Multicast Channel (MCH) Broadcast Channel (BCH)
Tail Biting Convolutional Coding
1/3
Rate Matching a mapování do fyzických kanálu˚ UL/DL SCH Up/Down Shared channel PCH Paging Channel MCH Multicast Channel BCH Broadcast Channel
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
49 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Používané typy kódování pro ˇrídící informace
Control Information
Coding Scheme
Downlink Control Information (DCI) Control Format Indicator (CFI) Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ) indicator (HI)
Coding Rate
Tail biting Convolutional Coding
1/3
Block Code
1/16
Repetion Code
1/3
Block Code Tail Biting Convolutional Coding
Uplink Control Information (UCI)
variable
DCI - Downlink Control Information CFI - Control Format Indicator HI - HARQ Indicator UCI - Uplink Control Information
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
50 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Základní vlastnosti FEC
ˇ zpracování TB z MAC vrstvy probíhá následovne: Detekce chyby pomocí CRC celkem 4 typy CRC, délka 8, 16 nebo 24(a,b) bitu˚
Korekˇcní kód Konvoluˇcní kód PCCC Turbo kód (Parallel Concatenated Convolutional Code)
Rate Matching Interleaving Mapování do fyzických kanálu˚
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
51 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Konvoluˇcní kódování
ˇ Jednoduché operace sˇcítání cˇ asoveˇ zpoždených bitu˚ a vstupného bitu ˇ ˇ (Puncturing pro Rate Matching) Snadná zmena kódového pomeru Trellis konvoluˇcního kódu Viterbiho dekodér ck d k(0)
d k(1) d k( 2)
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
52 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Turbo kódy I
ˇ Paralelneˇ zˇretezené konvoluˇcní kódy, které využívají iterativní postup pˇri dekódování. Vynikají ˇ výbornými vlastnostmi pˇri nízkých pomerech SNR. Dva jednoduché konvoluˇcní kodéry, na vstup prvního pˇricházejí informaˇcními bity, na vstup druhého proložené bity Prokládací blok má významný vliv na výslednou chybovost
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
53 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Turbo kódy II - Dekódování
ˇ Princip kódu je známý nekolik desítek let Vychází z BCJR algoritmu dekódování blokových kódu˚ dva nezávislé datové toky jednotlivé dekodéry proto mají nezávislý zdroj informace dekodér má na výstupu dveˇ hodnoty: hodnota bitu (±1) ˇ pravdepodobnost, že byl daný bit dekódován správneˇ
existují dva základní algoritmy pro dekodéry MAP Maximum Aposteriori Probability SOVA Soft Output Viterbi Algoritmus
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
54 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Turbo kódy III
xk
1st constituent encoder
ck
D
D
zk
D
Output Input
Turbo code internal interleaver
2nd constituent encoder
zk
Output
ck
D
D
D
xk
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
55 / 104
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Long Term Evolution - LTE
Transformace IP paketu na Transport Block
SAE bearer 1
SAE bearer 1 Header
PDCP header compression, ciphering
Payload
Header
PDCP header
RLC segmentation, concatenation
Header
Payload
PDCP SDU
RLC SDU
MAC multiplexing
MAC header
PHY
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
Header
PDCP SDU
RLC SDU
RLC header
PDCP SDU
RLC SDU
RLC header
MAC header
MAC SDU
MSMK
Payload
PDCP header
RLC header
Transport block
Payload
Header
Payload
Header
PDCP header
SAE bearer 2
Payload
CRC
MAC SDU
Transport block
CRC
ˇ kveten 2012
56 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
IP packet
User #i
IP packet
User #j SAE bearers
PDCP #i Header compression
PDCP Header compression
Ciphering
Deciphering Radio bearers
MAC Payload selection
RLC #i
RLC
Segmentation, ARQ
Concatenation, ARQ
Priority handling, payload selection
Logical channels MAC
MAC demultiplexing
Hybrid ARQ
Hybrid - ARQ Transport channel
PHY
PHY Coding
Decoding
Modulation
Demodulation
Antenna and resource mapping
Antenna and resource demapping
Redundancy version
MAC scheduler
MAC multiplexing Retransmission control
Modulation scheme Antenna and resource assignment
eNodeB
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
Mobile terminal (UE)
MSMK
ˇ kveten 2012
57 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Pˇrehled transportních kanálu˚
Broadcast channel DownLink Shared Channel Paging Channel Multicast Channel Uplink Shared Channel Random Access Channel
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
58 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Fyzické kanály a signály
PUSCH Physical Uplink Shared Channel - uživatelská data uplink PUCCH Physical Uplink Control Channel - ˇrídící informace uplink PRACH Physical Random Access Channel - náhodný pˇrístup uplink PDSCH Physical Downlink Shared Channel - uživatelská data ˇ a další (Cell ID, ...) PBCH Physical Broadcast Channel - Broadcast informace, údaje o bunce PMCH Physical Multicast Channel - pro MBMS PCFICH Physical Control Format Indicator Channel PDCCH Physical Downlink Control Channel - ˇrídící informace PHICH Physical HARQ Indicator Channel - ˇrízení HARQ (ACK/NACK) +referenˇcní (pilotní subnosné pro rozlišení jednotlivých pˇrenosových vrstev) a synchronizaˇcní signály (primární a sekundární synchronizace) bez vazby na vyšší vrstvy.
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
59 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Mapování kanálu˚
ˇ Rídící kanály, BCH a PRACH channel jsou mapovány kolem DC subcarrier
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
60 / 104
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Long Term Evolution - LTE
Primární a sekundární synchronizace v rádiovém rámci
10 ms radio frame
1 ms subframe #2
#3
0.5 ms slot
0.5 ms slot
#4
#5
0.5 ms slot
0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6
#6
#7
#8
#9
0.5 ms slot
0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6
72 subcarriers
#1
System bandwidth
#0
OFDM symbol Secondary synchronization signal
Primary synchronization signal
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
61 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Mapování RB mezi uživatele, B=5MHz, 25 RB, 3 subrámce
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
62 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Mapování RB mezi uživatele, uplink, B=5MHz, 1 subrámec
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
63 / 104
Long Term Evolution - LTE
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
MSMK
ˇ kveten 2012
64 / 104
Long Term Evolution - LTE
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
MSMK
ˇ kveten 2012
65 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
ˇ eˇ a frekvenˇcneˇ závislé plánování paketu˚ Casov
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
66 / 104
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Long Term Evolution - LTE
ˇ Možnosti pˇridelování RR uživatelum ˚ Maximum Quality Cílem je maximalizovat propustnost ˇ Pro nekteré uživatele nebudou dostupné rádiové zdroje Problém s VoIP Round Robin Každý uživatel má definované cˇ asové okno, ve kterém se pˇrenáší jeho data Není optimálneˇ využita propustnost síteˇ (AMC)
Proportional Fair
Time
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
Radio-link quality
Radio-link quality
Radio-link quality
Snaha o optimalizovaný pˇrístup k RB a uživatelum ˚
Time
MSMK
Time
ˇ kveten 2012
67 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Fractional Reuse Factor a Cell Edge
Cell-center terminals, cell 1 Reduced Tx power Cell-edge terminals, cell 1 Cell-edge terminals, cell 2 Cell-edge terminals, cell 3
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
68 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Rozlišení prostorových toku˚ I
One s
lot ( 0.5 m s)
Frequency Time
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
Downlink reference symbol
MSMK
ˇ kveten 2012
69 / 104
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Long Term Evolution - LTE
Rozlišení prostorových toku˚ II
Antenna #1
Antenna #2
Frequency Time
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
(a)
MSMK
ˇ kveten 2012
70 / 104
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Long Term Evolution - LTE
Rozlišení prostorových toku˚ III Antenna #1
Antenna #2
Antenna #3
Antenna #4
Frequency Time
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
(b)
MSMK
ˇ kveten 2012
71 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
throughput, 1.4MHz, MIMO VehA, 1000 subframes 4
3.5
3.5
3
3
2.5
2.5
CQI 01 CQI 02 CQI 03 CQI 04 CQI 05 CQI 06 CQI 07 CQI 08 CQI 09 CQI 10 CQI 11 CQI 12 CQI 13 CQI 14 CQI 15
2
1.5
1
0.5
0 −10
throughput [Mbps]
throughput [Mbps]
throughput, 1.4MHz, SISO AWGN, 1000 subframes 4
−5
0
5
10
15 20 SNR [dB]
25
30
35
1
0.5
0 −10
40
(a) Propustnost LTE v závislosti na CQI, AWGN kanál
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
CQI 10 CQI 11 CQI 12 CQI 13 CQI 01 CQI 14 CQI 15 CQI 16 CQI 02 CQI 03 CQI 04 CQI 05 CQI 06 CQI 07 CQI 08
2
1.5
−5
0
5
10 SNR [dB]
15
20
25
30
(b) Propustnost LTE v závislosti na CQI, VehA kanál
MSMK
ˇ kveten 2012
72 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
AWGN, 1.4 MHz CQI 15, 64QAM 10 SISO TxD 2x1 4x2 TxD 4x2 OLSM SISO 3re TxD 2x1 3re 4x2 TxD 3re 4x2 OLSM 3re
9
8
throughput [Mbps]
7
Spatial multiplexing Throughput Gain
6
5
4
Pilots overhead Retransmissions gain
3
2
Diversity gain 1
0
−5
0
5
10
15
20
25
30
SNR [dB]
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
73 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
1.4MHz VehA ZF equalizer, CQI 7 (16QAM) 2.5
Spatial Multiplexing
SISO MISO 2x1 MIMO 4x2 MIMO 4x2 SM
throughput [Mbps]
2
1.5
1
0.5
3 rd retransmission’s gain 0 −10
−5
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
0
5
10 SNR [dB] MSMK
15
20
25
30
ˇ kveten 2012
74 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Struktura TDD rámce
ˇ Radiový rámec Type II je rozdelen na dveˇ poloviny s dobou trvání 5 ms, které se oznaˇcují jako half-frame. Half-frame se stejneˇ jako rámce pro FDD skládají ze subrámcu, ˚ každý subrámec má dva sloty a podle délky cyklického prefixu 6 nebo 7 OFDM symbolu. ˚ V každém 2. subrámci v half-frame se mohou pˇrenášet speciální subrámce, které zajišt’ují pˇrepnutí mezi downlinkem a uplinkem. Speciální subrámce obsahují DwPTS Downlink Pilot Time Slot GP Guard Period UpPTS Uplink Pilot Time Slot
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
75 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
LTE TDD TDD režim je výhodný pro asymetrický pˇrenos dat downlink/uplink, nepotˇrebuje dva frekvenˇcní kanály, tím se zlepšuje spektrální úˇcinnost systému, FDD pásmo má v mnoha pˇrípadech velkou frekvenˇcní rozteˇc, pˇrenosové prostˇredí má jiné vlastnosti (útlum šíˇrením, shadowing, ... ), TDD mód má lepší možnosti pro odhad stavu kanálu, protože se používá stejná frekvence, ˇ pouze odhad kanálu pro uplink (na straneˇ eNodeB) a použít jej v downlinku. lze provádet Time Division Duplex (TDD) Approximately symmetric Asymmetric (downlink focus) Asymmetric (uplink focus) First and sixth subframe always assigned for downlink transmission Downlink transmission
Uplink-downlink configuration 0 1 2 3 4 5 VUT) J. Prokopec (UREL FEKT
Downlink-to-Uplink Switch-point periodicity 5 ms 5 ms 5 ms 10 ms 10 ms 10 ms MSMK
0 D D D D D D
1 S S S S S S
Uplink transmission
2 U U U U U U
Subframe number 3 4 5 6 7 U U D S U U D D S U D D D S U U U D D D U D D D D D D D D D
8 9 U U U D D D D D D D D kveten ˇD 2012
76 / 104
Long Term Evolution - LTE
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ
Mapování RB pro TDD
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
77 / 104
Long Term Evolution - LTE
Vrstvový model LTE
Obsah prezentace
1
Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Fyzická vrstva dle Release 8 Frekvenˇcní pásma Rádiové rozhraní Základní parametry fyzické vrstvy Používané modulace Diverzita a prostorový multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access pro downlink Single Carrier Frequency Division Multiple Access
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ Hybridní ARQ Cyclic Redundancy Check Kanálové kódování a rate matching Mapování fyzických kanálu do resource grid Scheduling LTE Time Divission Duplex
Vrstvový model LTE Srovnání LTE s ostatními standardy Self Organizing Networks
2
LTE Advanced
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
78 / 104
Long Term Evolution - LTE
Vrstvový model LTE
Power-up
LTE_DETACHED • No IP address • Position not known
LTE_IDLE
LTE_ACTIVE • IP
address assigned • Connected to known cell OUT_OF_SYNC
• IP address assigned • Position partially known • DL DRX period
IN_SYNC • DL reception possible • UL transmission possible
• DL reception possible • No UL transmission
LTE_DETACHED stav po zapnutí UE, kdy terminál nemá pˇriˇrazenu IP adresu a jeho poloha vuˇ ˚ ci eNodeB není známa ˇ systému. LTE_ACTIVE zaˇrízení má pˇriˇrazenou IP adresu a je pˇripojeno k aktivní bunce V aktivním stavu mohou nastat dveˇ situace: OUT_OF_SYNC kdy terminál muže ˚ pˇrijímmat data pouze v downlinku, pˇrenos v uplinku není možný, IN_SYNC terminál muže ˚ pˇrijímat i vysílat data LTE_IDLE IP adresa zustala ˚ UE pˇriˇrazena, ale systém nezná pˇresnou polohu UE v rámci síteˇ
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
79 / 104
Long Term Evolution - LTE
Vrstvový model LTE
Protokolový stack LTE pro uživatelská data NETWORK ARCHITECTURE
31
Application
IP
IP
Relay
PDCP
Relay GTP - U
GTP - U GTP - U
PDCP
GTP - U
RLC
RLC
UDP/IP
UDP/IP
UDP/IP
UDP/IP
MAC
MAC
L2
L2
L2
L2
L1
L1
L1
L1
L1
L1
LTE - Uu
UE
S1 - U
eNodeB
S5/S8 a
Serving GW
SGi
PDN GW
Figure 2.6 The E-UTRAN user plane protocol stack. Reproduced by permission of © 3GPP.
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
80 / 104
Long Term Evolution - LTE
Vrstvový model LTE
Protokolový stack LTE pro uživatelská data
e 2.6 The E-UTRAN user plane protocol stack. Reproduced by permission of © 3
NAS
NAS Relay Relay RRC
S1- AP
RRC
S1- AP
PDCP
PDC P
SCTP
RLC
RLC
IP
IP
MAC
MAC
L2
L2
L1
L1
L1
L1
UE
LTE- Uu
eNodeB
SCTP
S1- MME MME
Figure 2.7 Control-plane protocol stack. Reproduced by permission of © 3GPP.
ium Access Control) sublayers which MSMK are terminated in the eNodeB on the net ˇ J. Prokopec (UREL FEKT VUT) kveten 2012 81 / 104
Long Term Evolution - LTE
Srovnání LTE s ostatními standardy
Obsah prezentace
1
Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Fyzická vrstva dle Release 8 Frekvenˇcní pásma Rádiové rozhraní Základní parametry fyzické vrstvy Používané modulace Diverzita a prostorový multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access pro downlink Single Carrier Frequency Division Multiple Access
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ Hybridní ARQ Cyclic Redundancy Check Kanálové kódování a rate matching Mapování fyzických kanálu do resource grid Scheduling LTE Time Divission Duplex
Vrstvový model LTE Srovnání LTE s ostatními standardy Self Organizing Networks
2
LTE Advanced
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
82 / 104
Long Term Evolution - LTE
Srovnání LTE s ostatními standardy
LTE vs. Mobile WiMAX
Downlink Uplink Duplex Speed [kmh] Bandwidth Peak Data Rate [Mbps]
Spectral eff. [bps/Hz/sec] Latency VoIP
LTE Rel.8 OFDMA SC-FDMA FDD/TDD 350 1,4-20 302 75 20 1,91 0,72 5ms 50 ms 80 users/sector/FDD/1MHz
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
802.16e OFDMA OFDMA FDD/TDD 250 3,5-10 46 4 10 1,91 0,84 20 50 20 users/sector/TDD/1MHz
MSMK
802.16m OFDMA OFDMA FDD/TDD 250 5-40 350 200 20 2,6 1,3 10 30 30 users/sector/FDD/1MHz
HSPA+ Rel.8 WCDMA WCDMA FDD 250 5 42 11,5
ˇ kveten 2012
83 / 104
Long Term Evolution - LTE
Srovnání LTE s ostatními standardy
LTE vs Mobile WiMAX technologie
Air Interface Core PAPR FEC Control FEC Data H-ARQ MIMO Diversity
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
LTE QPSK-64QAM OFDMA All IP SC-FDMA CC, K=7,R=1/3 CTC, K=4,R=1/3 IR, ChC SM TD (Alamouti, CCD) Beamforming
MSMK
Mobile WiMAX QPSK-64QAM OFDMA All IP CC, K=7,R=1/3 CTC, K=4,R=1/3 ChC + IR SM TD (Alamouti, CCD) Beamforming
ˇ kveten 2012
84 / 104
Long Term Evolution - LTE
Self Organizing Networks
Obsah prezentace
1
Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Fyzická vrstva dle Release 8 Frekvenˇcní pásma Rádiové rozhraní Základní parametry fyzické vrstvy Používané modulace Diverzita a prostorový multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access pro downlink Single Carrier Frequency Division Multiple Access
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ Hybridní ARQ Cyclic Redundancy Check Kanálové kódování a rate matching Mapování fyzických kanálu do resource grid Scheduling LTE Time Divission Duplex
Vrstvový model LTE Srovnání LTE s ostatními standardy Self Organizing Networks
2
LTE Advanced
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
85 / 104
Long Term Evolution - LTE
Self Organizing Networks
Architektura mobilních sítí
TE
MT R
MSC
GERAN
C
HLR/AuC* HSS*
EIR
SMS-GMSC SMS-IWMSC
SMS-SC
Um Gb, Iu
Rx+ (Rx/Gq)
Gr
Gf
Gs
Iu TE
MT R
Gn
GGSN Ga
Billing System*
SGSN
BM-SC
Gi
Gn/Gp
Uu
UE
Gx+ (Go/Gx) Gmb
Gc
SGSN
UTRAN
AF
PCRF Gd
Ga
Gi
PDN
Mb
Gy Mb
IMSMGW
MRFP
OCS*
Wi
CGF*
Gm
IMS
P-CSCF
CSCF Mw
CDF
Wf Wf Wd 3GPP AAA Proxy
Intranet/ Internet Wa WLAN UE
Wa
WLAN Access Network Ww
D/Gr
Dx
Cx
HLR/ AuC*
HSS*
SLF
Wx Dw 3GPP AAA Server Wm
OCS*
Wg WAG Wn
PDG Wp
Wz
Wu Traffic and signaling Signaling
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
**
Wo Wy
CGF*
MSMK
Billing System*
Note: * Elements duplicated for picture layout purposes only, they belong to the same logical entity in the architecture baseline. ** is a reference point currently missing
ˇ kveten 2012
86 / 104
Long Term Evolution - LTE
Self Organizing Networks
ˇ takto Radeji
GERAN
Gb Iu
GPRS Core SGSN
PCRF
UTRAN S3
S4 S6 S5a
Evolved RAN
Rx+
S7
S1
MME UPE
HSS
S5b 3GPP Anchor
S2b
IASA S2a
Evolved Packet Core
SGi
SAE Anchor
Trusted non 3GPP IP Access
ePDG
Op. IP Serv. (IMS, PSS, etc…)
WLAN 3GPP IP Access
WLAN Access NW
* Colour coding: red indicates new functional element / interface
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
87 / 104
Long Term Evolution - LTE
Self Organizing Networks
Funkcionality eNodeB
Radio Resources Management Admission Control Mobility Control Packet Scheduling
Routing datového toku k SGW Pˇrenos Pagingových zpráv z MME a další :)
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
88 / 104
Long Term Evolution - LTE
Self Organizing Networks
Funkce MME
NAS Non Access Stratum signalizace NAS zabezpeˇcení signalizace ˇ Rízení zabezpeˇcení AS ˇ Rízení mobility mezi 3GPP RAN ˇ SGSN pro ˇrízení HO do 2G Výber Roaming Authentification
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
89 / 104
Long Term Evolution - LTE
Self Organizing Networks
Komunikace mezi eNodeB
ˇ Rízení interferencí mezi eNodeB pomocí zpráv pˇres rozhraní X2 Uplink Interference Overload Indicator Message pro detekci na jednotlivých RB High Interfernece ˇ Indicator pˇri pˇridelování RB pro Cell Edge uživatele
Downlink Interference pomocí Tx Power Message
f
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
90 / 104
Long Term Evolution - LTE
Self Organizing Networks
Home eNodeB Zákazník si muže ˚ koupit vybavení, které sdílí frekvenˇcní spektrum zakoupené operátorem ˇ lepšího pokrytí Zajištení Zvýšení kapacity Propojení do síteˇ pomocí speciální brány HeNB GW Režim Closed access Mode pro uživatele Closed Subscriber Group Hybrid Access Mode CSG mají vyšší prioritu Open Access Mode
Pˇrenos parametru˚ pro identifikaci HeNB na BCH
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
91 / 104
Long Term Evolution - LTE
Self Organizing Networks
Self Organizing Networks
Automatická konfigurace a optimalizace síteˇ Omezení centrálního plánování ˇ eˇ informací mezi Neighbour eNodeB Založené na výmen Využití informací z UE Automatic Neighbour Relation pomocí informací o Cell Global Identity získaných z reportu˚ UE Mobility parameters optimization pro lepší Load balancing
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
92 / 104
LTE Advanced
Obsah prezentace
1
Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Fyzická vrstva dle Release 8 Frekvenˇcní pásma Rádiové rozhraní Základní parametry fyzické vrstvy Používané modulace Diverzita a prostorový multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access pro downlink Single Carrier Frequency Division Multiple Access
Zpracování dat ve fyzické vrstveˇ Hybridní ARQ Cyclic Redundancy Check Kanálové kódování a rate matching Mapování fyzických kanálu do resource grid Scheduling LTE Time Divission Duplex
Vrstvový model LTE Srovnání LTE s ostatními standardy Self Organizing Networks
2
LTE Advanced
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
93 / 104
LTE Advanced
ˇ Vývoj smerem ke 4G
Sluˇcování kanálu˚ Carrier Agregation Multiband Aggregation V každém pásmu specifické parametry Zlepšení spektrální úˇcinnosti Nové metody pro uplink Clustered DFT-S-OFDMA N DFT-S-OFDMA OFDMA kompatibilita s DFT-S-OFDMA
Turbo Equalization
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
94 / 104
LTE Advanced
ˇ Vývoj smerem ke 4G II
Zlepšování Tx diverzity Lepší CSI/precoding duraz ˚ na TDD Podpora více antén (8x8, experimenty 12x12) Cooperative MIMO Interference Cancelation Relays pro zlepšení SINR na Cell Edge
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
95 / 104
LTE Advanced
Carrier Aggregation
Sluˇcování více rádiových kanálu˚ používá se Intra a Inter band Aggregation až 100 MHz šíˇrky pásma pro jednoho uživatele prozatím intra band pro pásmo 1, 9 GHz a 2, 3 GHz inter band pro kombinaci pásem 1 a 5 viz pˇredchozí tabulky vždy obsahuje primární rádiový kanál, sekundární kanály se pˇridávají až v RRC_Connected symetrické-asymetrické CA pro uplink CA až v Rel 11 kombinace MIMO 8x8 a CA až 3 Gbps!!!
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
96 / 104
LTE Advanced
Carrier Aggregation
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
97 / 104
LTE Advanced
Downlink MIMO 8x8
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
98 / 104
LTE Advanced
Reference - Standard
3GPP TS 36.101 V8.9.0 (2010-03) User Equipment (UE) radio transmission and reception (Release 8) 3GPP TS 36.104 V8.9.0 (2010-03) Base Station (BS) radio transmission and reception (Release 8) 3GPP TS 36.201 V8.3.0 (2009-03) LTE Physical Layer - General Description (Release 8) 3GPP TS 36.211 V8.9.0 (2009-12) Physical Channels and Modulation (Release 8) 3GPP TS 36.212 V8.8.0 (2009-12 Multiplexing and channel coding (Release 8)
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
99 / 104
ˇ Reference - Clánky
LTE Advanced
Anders Furuskär, Tomas Jönsson, and Magnus Lundevall The LTE Radio Interface – Key Characteristics and Performance IEEE Xplore 2008 Carsten Ball, Thomas Hindelang, Iavor Kambourov, Sven Eder Spectral Efficiency Assessment and Radio Performance Comparison between LTE and WiMAX IEEE Xplore 2008 Man Hung Ng, Shen-De Lin, Jimmy Li, and Said Tatesh, Alcatel-Lucent Coexistence Studies for 3GPP LTE with Other Mobile Systems IEEE Communications Magazine, April 2009 Yang Yang, Honglin Hu, Jing Xu, Guoqiang Mao Relay Technologies for WiMAX and LTE-Advanced Mobile Systems IEEE Communications Magazine, October 2009
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
100 / 104
ˇ Reference - Clánky
LTE Advanced
Anna Larmo, Magnus Lindström, Michael Meyer, Ghyslain Pelletier, Johan Torsner, and Henning Wiemann The LTE Link-Layer Design IEEE Communications Magazine, April 2009 David Astély, Erik Dahlman, Anders Furuskär, Ylva Jading, Magnus Lindström, and Stefan Parkvall LTE: The Evolution of Mobile Broadband IEEE Communications Magazine, April 2009 StevenW. Peters, Ali Y. Panah, Kien T. Truong, and RobertW. Heath Jr. Relay Architectures for 3GPP LTE-Advanced EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking Relay Architectures for 3GPP LTE-Advanced Luis Ángel Maestro Ruiz de Temino, Gilberto Berardinelli, Simone Frattasi and Preben Mogensen Channel-Aware Scheduling Algorithms for SC-FDMA in LTE Uplink IEEE Xplore, 2008
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
101 / 104
LTE Advanced
Reference - Knihy
Dahlman, E and Parkvall, S. and Skold, J. and Beming, P. 3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband. London: Academic Press. 2007. Holma, H. and Toskala LTE for UMTS - OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access New York: John Wiley & sons, 2009 Stefania Sesia,Issam Toufik,Matthew Baker LTE, the UMTS long term evolution: from theory to practice New York: John Wiley & sons, 2009 Rysavy Research HSPA to LTE-Advanced: 3GPP Broadband Evolution to IMT-Advanced 3G Americas, September 2009
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
102 / 104
LTE Advanced
Reference - Simulace
Mehlführer, Christian, Wrulich, Martin, Ikuno, Josep Colom, Bosanska, Dagmar, Rupp, Markus Simulating the Long Term Evolution Physical Layer. Proc. of the 17th European Signal Processing Conference (EUSIPCO 2009) Glasgow, Scotland 2009 http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_175708.pdf Ikuno, Josep Colom, Wrulich, Martin, Rupp, Markus System level simulation of LTE networks Proc. 2010 IEEE 71st Vehicular Technology Conference,Taipei, Taiwan 2010 http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_184908.pdf
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
ˇ kveten 2012
103 / 104
Poděkování Vytvoření této prezentace bylo finančně podpořeno projektem CZ.1.07/2.3.00/09.0092 Komunikační systémy pro perspektivní kmitočtová pásma operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost.
Finanční podpora byla poskytnuta Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.