systémů Příští vývoj mobilní komunikace EDGE – HSPA - LTE Doc. Ing. Václav Žalud, CSc Katedra radioelektroniky FEL ČVUT v Praze
© Doc. Ing. Václav Žalud, CSc
1
Vývoj mobilní komunikace podle současných představ
2
Vývoj evropského celulárního standardu GSM od 2. generace přes generaci 2,5 ke generaci 3
3
Základní parametry perspektivních mobilních systémů Parametr
WCDMA
HSPA R6
HSPA R7/R8
I-HSPA
WiMAX 1
LTE 2
špičková datová rychlost DL/UL
384/384 kbit/s
14/5,7 Mbit/s
434/11,5 Mbit/s
viz HSPA R6&R7/R8
40/10 Mbit/s
173/58 Mbit/s
zpoždění (latence)
100-200 ms
40-60 ms
25-35 ms
25 ms
30-50 ms
10-20 ms
šířka RF pásma
5 MHz
5 MHz
5 MHz
viz HSPA R6&R7/R8
5-10 MHz (duplex TDD)
1,4-20 MHz
spektrální účinnost MHz/buňka DL/UL
0,2/0,2 Mbit/s
0,53/0,3 Mbit/s
1,3/0,4 Mbit/s
viz HSPA R6&R7/R8
1,4/0,6 Mbit/s
1,7/0,7 Mbit/s
hlasová účinnost uživatel/MHz/bunka
18
27/17 (DL/UL)
36/25 (DL/UL)
viz HSPA R6&R7/R8
20
63/48 (DL/UL)
architektura
založená na RNC
založená na RNC
založená na RNC
plochá
plochá
plochá
služby
CS a velmi rychlé PS
širokopásmové PS
širokopásmové PS
širokopásmové PS a CS/HSPA
pouze PS, VoIP
pouze PS, VoIP
1DL/UL
= 29/18, verze 2x2 MIMO@BRF = 10 MHz TDD; 2 verze 2x2 MIMO@BRF = 20 MHz; 3 s přijímače RAKE; 428 Mbit/s u R7, 43 Mbit/s u R8 WCDMA = Wideband CDMA; HSPA = High Speed Packet Access; WiMAX = World Interoperability for Microwave Access; LTE = Long Term Evolution 4
Přenosové rychlosti hlavních mobilních systémů Standard
sestupná trasa DL
špičková rychlost
síťová
dosažitelná síťová uživatelská
dosažitelná uživatelská
EDGE (typ 1 MS)
236,8 kbit/s
200,0 kbit/s
200,0 kbit/s
EDGE (typ 2 MS)
473,6 kbit/s
473,6 kbit/s
E EDGE (typ 2 MS)
1894,4 kbit/s
947,2 kbit/s
UMTS WCDMA Relˇ99
2,048 Mbit/s
768,0 kbit/s
HSDPA (start 2006)
1,8 Mbit/s
HSDPA
14,4 Mbit/s
384,0 kbit/s
HSPA
14,4 Mbit/s
5,76 Mbit/s
+
28,8 Mbit/s
11,5 Mbit/s
HSPA (2x2 MIMO, DL-UL :64QAM)
+
42 Mbit/s
11,5 Mbit/s
LTE (2x2 MIMO)
173,0 Mbit/s
58,0 Mbit/s
LTE (4x4 MIMO)
326 Mbit/s
86,0 Mbit/s
Ultra Mobile Broadband (2x2 MIMO)
140,0 Mbit/s
34,0 Mbit/s
Ultra Mobile Broadband (4x4 MIMO)
280,0 Mbit/s
68,0 Mbit/s
802.16e WiMAX-Wave 1 (10 MHz TDD, DL/UL = 3, 1x2 MIMO)
23,0 Mbit/s
4,0 Mbit/s
802.16e WiMAX-Wave 2 (10 MHz TDD, DL/UL = 3, 2x2 MIMO)
46,0 Mbit/s
4,0 Mbit/s
802.16m
TBD
TBD
CDMA2000 EV-DO Rev B (15 RF chan.)
73,5 Mbit/s
27,0 Mbit/s
HSPA (2x2 MIMO, DL-UL :16QAM)
> 1 Mbit/s
vzestupná trasa UL
236,8 kbit/s
384,0 kbit/s
350,0 kbit/s
5
Latence přenosu a časový interval TTI
6
Hybridní systém ochrany H ARQ vstupní data (pakety, bloky...)
vysílač kódování FEC
vysílač
kódovaná data (rc0)
chyby
přijímač
kanál
detekce chyb
žádost o opakování přenosu ARQ
opakované vysílání
data vysílaná s odlišným punkturováním (rc < rc0)
kanál (chyby) kanál
opakovaná data
bezchybný přenos
přijatý blok dat
přenos s chybami
k dalšímu zpracování (vrstvy L2/L3) vyšší datová rychlost
databáze IR
původní data s chybami (IR) měkké kombinování
detekce chyb (další žádost ARQ)
přijatý blok dat
nižší datová rychlost
Datový blok přicházející k přijímači je zajištěn při prvním vysílání jen slabým ochranným kódem FEC. Pokud však v něm jsou zjištěny chyby, je uložen do IR databáze a současně přijímač vyšle automaticky k vysílači žádost ARQ (negativní potvrzení NACK) o jeho opakované vysílání. Vysílač tento blok znovu vyšle, avšak s odlišným punkturováním, které vede ke snížené kódovací rychlosti rc a tím i k důkladnější ochraně přenosu, než byla ochrana původní. Nový přijatý blok je kombinován s původním blokem vyjmutým z IR databáze, a to technikou měkkého kombinování. Jsou - li v něm však zjištěny chyby, celý proces opakovaného 7 vysílání se opakuje, třeba i vícekrát - s postupně účinnějším kódováním.
Evoluční přechod od vertikální architektury (2G/3G) k ploché architektuře (HSPA/LTE) Vydání 8 LTE Vydání 6 vertikální archit.
Vydání 7 s přímým tunelem
Vydání 7 s funkčnostmi RNC v uzlu B
GGSN GGSN
GGSN GGSN
GGSN GGSN
SGSN SGSN
SGSN SGSN
SGSN SGSN
RNC RNC
RNC RNC
Node NodeBB
Node NodeBB
a) = uživatelská rovina;
MME SGSN
Node NodeBB
b)
GGSN GGSN
c)
eNode B Node B d)
= kontrolní rovina
Node B = uzel B (~ BTS); RNC = Radio Network Controller (~ BSC); SGSN = Serving GPRS Support Node; GGSN = Gateway GPRS Support Node; eNode B = Evolved Node B; MME = Mobile Mangement Entity
8
Vývojové stupně (Vydání) 3GPP Projekt 3GPP neakcentuje pouze nejnovější technologie (LTE), nýbrž se snaží efektivně využít i specifické přednosti starších systémů (GSM, CDMA). Nepřetržitý vývoj zde probíhá formou tzv. Vydání (Release). Uveďme si dále přehled těchto vydání. • Vydání 99: uvolněn standard GSM/EDGE; první verze UMTS použitelná v praxi; podpora kombinované přístupové sítě GSM/GPRS/EDGE/WCDMA. • Vydání 4: podpora multimediální služby MMS; první krok k využití transportu na bázi protokolu internet IP v jádru sítě. • Vydání 5: nástup rychlého paketového přístupu HSDPA; první fáze IMS (IP Multimedia Subsystem); nahrazení asynchronního přenosového módu ATM (Asynchronous Transfer Mode) transportem na bázi IP v jádru sítě; v roce 2007 je na tomto Vydání založena většina realizací UMTS. • Vydání 6: nástup rychlého paketového přístupu HSUPA; podpora zdokonalených multimedií prostřednictvím služby MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Services); specifikace progresívních technik přijímačů (MUD…); možnost integrace sítí W LAN; zdokonalení IMS; počátky služby VoIP. • Vydání 7: nástup standardu E EDGE (Evolved EDGE) se zdokonalenou funkčností GSM; specifikace evolučního stupně HSPA+ (HSDPA&HSUPA), zahrnujícího vícestavové modulace a techniku MIMO; nástup techniky CPC (Continuous Packet Connectivity), poskytující zvýšenou kapacitu UL VoIP a redukci doby sestavení spojení pro mód PoC (Push-to-talk over Cellular); zavedení modulací 64QAM na DL a 16QAM na UL. • Vydání 8: další zdokonalení HSPA, spočívající v simultánním užití technik MIMO a 64QAM; specifikace evolučního stupně 3GPP LTE (Long Term Evolution), založeného na přístupu OFDMA; definice architektury EPS (Evolved Packet System), původně označované SAE (Systém Architecture Evolution). Do roku 2007 byla zkompletována všechna vydání, kromě Vydání 8, jehož vývoj bude dokončen v roce 2009.
9
n
Evoluční vývojový stupeň standardu GSM:
EDGE
© Doc. Ing. Václav Žalud, CSc
10
Primární atributy standardu GSM/EDGE Zavedení modulace 8PSK • EDGE má kromě modulace GMSK k dispozici také modulaci 8PSK, která má trojnásobnou spektrální účinnost (3 bity na symbol) oproti GPRS (1 bit na symbol) • u GSM je v radiovém rozhraní hrubá bitová rychlost na jeden časový slot 22,8 kbit/s, u EDGE potom 59,2 kbit/s (spojením 4 slotů se získá rychlost 236,8 kbit/s).
Adaptace rádiové linky LA (adaptivní modulace a kódování AMC) • EDGE má možností adaptace rádiové linky: v komutovaném režimu disponuje celkem sedmi – a v paketovém režimu devíti variantami přenosového formátu, které vznikají kombinacemi obou dvou modulací (GMSK/8PSK) a konvolučního kanálového kódování s různými rychlostmi (s různým stupněm zabezpečení) • automatická adaptivní volba typu modulace a kódování vede při daném poměru SNR resp. SIR a při neměnné chybovosti BER, k maximální dosažitelné rychlosti přenosu.
Systém hybridního ARQ (H-ARQ) • EDGE využívá techniku opakovaného vysílání ARQ, přičemž opakovaně vysílané bloky dat jsou kódovány kanálovými kódy s různou (postupně se snižující) kódovou rychlostí; nově přijaté opakované bloky dat jsou kombinovány s jejich předchozími replikami, což podstatně zvyšuje pravděpodobnost úspěšného přenosu v kratším čase. Tento mechanismus, zvaný inkrementální redundance, zvyšuje zisk linky o několik dB. [1] IEEE Person. Com., June 1999, s. 56. ; [2] Erics. Rev. 1/1999, s. 28
11
Adaptace rádiové linky LA v systému GSM/EDGE adaptivní selekce typu modulace a kanálového kódování AMC
inkrementální redundance IR adaptace linky LA
GMSK EDGE
MCS-9
8PSK EDGE
MCS-8
prostředí TU03 (Typical Urban, speed 3 km / h); BER = konst.
MCS-1
12
Rádiová přístupová síť GERAN (GPRS/EDGE RAN) s možností interoperability s přístupovou sítí UTRAN
GERAN je rádiová přístupová síť pro standardy GSM a EDGE, využívající rychlý rádiový přenos EDGE v kombinaci s přenosem GPRS. Kromě 2G rozhraní A a Gb využívá rovněž 3G rozhraní Iu, což potom unadňuje kooperaci se systémem UMTS/UTRAN (zavedení stejných tříd QoS jako v UMTS, přístup na multimedia prostřednictvím IP ap) 13
Hlavní charakteristiky standardu E EDGE
Redukce latence RTT Duální nosné vlny na DL a na UL Adaptivní modulace a kódování standardů EDGE/E-EDGE Turbo kódy v systému E-EDGE Mobilní stanice E-EDGE s duální anténou Mobilní stanice typů 1 a 2
14
Adaptivní modulace a kódování standardů EDGE a E-EDGE Schéma modulace EDGE 8PSK E-EDGE 16 QAM E-EDGE 32 QAM E-EDGE 64 QAM a kódování propustnost propustnost propustnost propustnost MCS [kbit/s] [kbit/s] [kbit/s] [kbit/s] MCS-1
35,2
MCS-2
44,8
MCS-3
59,2
MCS-4
70,4
MCS-5
89,6
119,2
149,2
179,2
MCS-6
118,4
157,6
197,2
236,2
MCS-7
179,2
238,8
298,4
358,2
MCS-8
217,6
290,0
362,4
435,0
MCS-9
236,8
315,6
394,4
473,4
Propustnost je uvažována na úrovni vrstvy 2 modelu OSI RM (vrstvy RLC), v režimu sdruženého přenosu 4 slotů v rámci TDMA; 15
Evoluční cesty zvyšování kapacity systému E-EDGE ● Standard EDGE při sdružování čtyřech časových slotů TS poskytuje maximální uživatelskou přenosovou rychlost 236,8 kbit/s ≈ 236 kbit/s; reálná rychlost je 150 až 200 kbit/s. ● Standard E-EDGE s dvěma nosnými vlnami umožňuje sdružování osmi časových slotů TS, takže poskytuje maximální uživatelskou přenosovou rychlost
2 x 236 = 472 kbit/s, reálná rychlost je 300 až 400 kbit/s. ● Při využití modulací vyšších řádů (16-QAM) je maximální uživatelská přenosová rychlost u E-EDGE
2 x 944 = 944 kbit/s, reálná rychlost je 600 až 800 kbit/s. ● Mobilní stanice typu 2 poskytuje maximální uživatelská přenosová rychlost u E-EDGE
2 x 944 = 1,888 kbit/s, reálná rychlost je 1,2 až 1,5 Mbit/s.
16
Vliv nových technologií na přenosovou rychlost systému E-EDGE Dual Carrier DL
2xTS
Dual Antenna Terminal
3…8 dB
vícestavové modulace a turbo kódy
1…5 dB
EDGE v roce 2007
Zvýšení přenosových rychlostí je největší ve středu buňky, avšak směrem k jejím okrajům se zmenšuje. Modulace vyšších řádů a také duální nosné vlny zvětšují špičkovou bitovou rychlost, kdežto turbo kódy a duální antény v přijímačích MS s potlačením interferencí (MSRD) zvětšují bitovou rychlost na okrajích buňky. Duální antény rovněž zlepšují pokrytí (umožňují zachytit slabší signál); to 17 dovoluje zvětšit rozměry buněk, nebo zmenšit o 3 dB (tj. o 50%) výkony vysílačů základnových stanic
m standardu UMTS: Evoluční vývojové stupně HSPA (HSDPA&HSUPA)
© Doc. Ing. Václav Žalud, CSc
18
Rychlý paketový přístup na sestupné trase HSDPA
• Rychlý fyzický sestupný sdílený kanál HS-PDSCH • Rychlé rozvrhování (v uzlu B) a uživatelská diverzita • Rychlá adaptace linky FLA (AMC) • Rychlé hybridní opakování přenosu HARQ • Další perspektivní metody zpracování signálů • HSUPA: • HSPA+:
19
m Term Evolution Standard 3GPP Long
LTE
© Doc. Ing. Václav Žalud, CSc
20
Základní charakteristiky standardu 3GPP LTE ● Na trase DL se využívá přenos AML-OFDM, adaptivní ve frekvenčně-časové doméně ● Na trase UL se využívá přenos SC-FDMA s dynamickou volbou šířky pásma ● Špičková rychlost je na sestupné trase 326 Mbit/s a na vzestupné trase 86,4 Mit/s ● Možnost duplexního režimu v módu TDD i v módu FDD ● Volitelná šířka pásma rádiového kanálu BRF ● Redukce latence RTT na 10 ms ● Progresívní architektura LTE SAE 21
Základní parametry standardu LTE/3GPP Parametr
požadavky
špičková datová rychlost
DL: 100 Mbit/s; UL: 50 Mbit/s (pro BRF = 20 MHz)
mobilita mobilního terminálu
optimalizace funkce do rychlosti15 km/h; maximální funkční rychlost až 500 km/h
latence v kontrolní rovině (přechod do aktivního stavu)
< 100 ms (přechod z pohotovostního stavu)
latence v uživatelské rovině (interval RTT
< 5 ms
kapacita v kontrolní rovině
200 uživatelů na buňku (pro pásmo BRF = 5 MHz)
pokrytí (rozměr buněk)
5 až 100 km (s mírnou degradací funkce nad 30 km)
flexibilita spektra
1,25; 2,5; 5; 10; 15 a 20 MHz
Parametry rádiového rozhraní standardu LTE Trasa
modulace
mnohonás. duplex přístup UL / DL
sestupná DL
QPSK, 16QAM, 64QAM
OFDMA
TDD / FDD
vzestupná UL
QPSK, 16QAM, 64QAM
SC-DFMA
TDD / FDD
RF šířka pásma
špičková rychlost
1,5 až 20 MHz
100 Mbit/s
50 Mbit/ss
Minimální požadavky na standard 3GPP LTE
Špičkové propustné rychlosti standardu LTE
22
