systémů Pozemní mobilní komunikace s důrazem na systém LTE /LTE-A 1. Přehled vývoje veřejné pozemní mobilní komunikace 2. Progresívní technologie v pozemní komunikaci 3. Systémy GSM-EDGE, UMTS a WiMAX 4. Systém LTE a systém LTE -A/SAE
Doc. Ing. Václav Žalud, CSc Katedra radioelektroniky FEL, ČVUT v Praze
[email protected]
© Doc. Ing. Václav Žalud, CSc
1. Přehled vývoje veřejné pozemní mobilní komunikace
1
.
P
ř
e
h
l
e
d
v
ý
v
o
j
e
v
e
ř
e
j
n
é
p
o
z
e
m
n
Počátky pozemní mobilní rádiové komunikace Objev buňkových struktur a jejich další vývoj Klasifikace a vývoj veřejných sítí pozemní komunikace Frekvenční, časový a kódový mnohonásobný přístup Ortogonální frekvenční multiplex OFDM
í
Začátky pozemní mobilní komunikace (1921) předcelulární éra
město Detroit (průměr 60 km) First Mobile Radio Telephone Detroit 1921
modulace AM f = 2,0-2,6 MHz THE PUBLIC HOUSE
Base Station Mobile Station
Jediná základnová stanice v centru města zajišťovala rádiový provoz na území celého Detroitu (zhruba kruh o průměru cca 60 km), a to pomocí asi 80 rádiových kanálů (BRF = 8 kHz, celkové pásmo v oblasti krátkých vln cca 2,0 až 2,64 MHz). Tyto kanály se nesmějí z důvodů možného rušení opakovat ve vnější interferenční zóně v podobě kruhu o pětinásobném průměru 5x60 = 300 km. K totálnímu pokrytí celého území USA by potom bylo zapotřebí celkem 25x80 = 2 000 kanálů, tj. celkové šířky pásma 8x2000 = 16 000 kHz, tj. 16 MHz, která však není ani fyzicky v pásmu krátkých vln realizovatelná. Řešením efektivního pokrytí libovolně velkých území, s omezenými počty rádiových kanálů, jsou buňkové sítě, jejichž principy byly poprvé formulovány až v roce 1946, v laboratořích firmy Bell Systems. Klíčem k vysoké spektrální účinnosti zde jsou malé rozměry dílčích buněk, které umožňují opakovat s malými odstupy již použité frekvence..
Podstata buňkových mobilních sítí generace 1G a 2G
buňkové sítě byly specifikovány r. 1947, avšak poprvé byly použity až v r. 1978 Rozměry buněk (ekvivalentní průměr): piko buňky..........................10 až 100 m mikro buňky....................100 až 1000 m malé makro buňky..............1km až 3 km velké makro buňky..........3 km až 30 km
PSTN telefonní ústředna
The cellular concept: D. H. Ring of AT&T Bell Laboratories, 1947
radiotel. ústředna MSC
základnová stanice
mobilní stanice
svazek buněk: čtyři sousední buňky vytvářejí svazek (cluster) o rozměru N = 4 (obvykle N = 3 ...12); každá z nich má přidělen svůj soubor kanálů, takže se vzájemně neruší; kanály určité buňky však lze opakovat již v sousedním svazku, aniž by hrozilo nebezpečí jejich vzájemného rušení
PSTN = Public Switching Telephone Networks MSC = Mobile Switching Centre
základní přednost buňkových systémů: díky velmi malým rozměrům buněk mají vysílače základnových stanic malé výkony a tudíž rádiové kanály přidělené určité buňce se mohou opakovat v jiných, poměrně blízkých buňkách sousedních svazků. Díky tomu s relativně malým počtem kanálů lze poskytovat služby prakticky neomezenému počtu uživatelů kompletního, neomezeně rozlehlého buňkového systému. Je zde tedy možné dosahovat libovolně vysoké spektrální účinnosti systému, avšak za cenu zvyšujícího se počtu základnových stanic ve stále se zmenšujících buňkách
Vývoj evropských buňkových standardů
GSM (2G) UMTS/HSPA (3G) LTE/WiMAX (4G) TDMA (2G)
OFDM (~4G)
CDMA (3G)
Time Division Multiple Access
Orthogonally Freq. Division Multiplex
Code Division Multiple Access
144 kbit/s
přepojování okruhů (CS)
změny softwaru i hardwaru (nové kódování: 48 kbit/s/slot) 5 pouze změny softwaru (spojení 4 čas. slotů) HSCSD 4 + nové mobilní stanice 4; 5; 6
57,6 kbit/s = 4x14,4 kbit/s
E-HSCSD
WiMAX 2.0 IEEE 802.16m
nová síť (RAN i CN) 5 + nové mobilní stanice
Flash OFDM / UMB
LTE-A SAE
EDGE
6
GSM
GSM: Global System for Mobile Communicatios HSCSD: High Speed Circuit Switched Data GPRS: General Packet Radio Service; EDGE: Enhanced Data Rates for GSM Evolution; E-HSCSD: Enhanced HSCSD; E-GPRS: Enhanced GPRS; E-EDGE: Evolved EDGE; UMTS: Universal Mobile Telecommunications System; HSPA: High Speed Packet Access (HSDPA&HSUPA) LTE: Long Term Evolution; SAE: System Archit. Evol. LTE-A: Long Term Evolution-Advanced
UMTS 1; 6
9,6 kbit/s 14,4 kbit/s
1; 2; 3
GPRS
změny softwaru i hardwaru + nové mobilní stanice 115,2 kbit/s (28,8-57,6 kbit/s) nové kódování: přepojování 48 kbit/s/slot paketů (PS)
1990
LTE/SAE
HSPA
1995
nová síť (RAN i CN) + nové mobilní stanice 2; 3
2
DL: 14,4 Mbit/s UL: 5,76 Mbit/s BRF = 5 MHz
BRF= 1,25/2,5/5/10/15/20 MHz
E-GPRS
E-EDGE 3
384 kbit/s
2000
DL/UL: 326,4/86,4 Mbit/s (DL: OFDM, 4x4 MIMO; UL: SC-FDMA: 64QAM);
DL: 1894,4 kbit/s; UL: 947,2 kbit/s (64QAM, MSRD, MCDL, MS type 2
rok
2005
ve schematu jsou uvedeny špičkové přenosové rychlosti; rychlosti dostupné v praxi jsou znatelně nižší
2010
Frekvenční, časový a kódový multiplex FDM, TDM, CDM tři základní principy dělení informačního hranolu jsou: frekvenční, časové, kódové (nově též dělení prostorové)
ochranný interval f
frekvence f
čas t
FDM Marconi 1896
f t
frekvence f
ochranný interval t
TDM Reeves 1937
doba přenosu Tt
časové rámce signálu TDM
CDM
amplituda
dynamika DR
kód
způsob kódování (výkon)
představuje celkové množství informací, pocházejících od více nezávislých informačních zdrojů, které je zapotřebí přenést během doby Tt v pásmu BRF, při dynamice DR
spektrum signálu FDM
frekvenční, časové a kódové dělení FDM, TDM a CDM amplituda
Shannonův informační hranol
čas t
Lamarrs 1942
čas. rámec
šířka pásma BRF
FDM = Frequency Division Multiplex; TDM = Time Division Multiplex; FDM = Code Division Multiplex Vedle klasických metod multiplexu FDM, TDM a CDM se po roce 2000 začíná uplatňovat také prostorový multiplex SDM (Space Division Multiplex), založený na technice více antén MIMO, vytvářející nekorelované rádiové přenosové kanály; těmi lze potom přenášet nezávislé informační toky více uživatelů, nebo zvýšit datovou rychlost jediného uživatele, a to při nezvětšené šířce RF pásma a při nezvětšeném výkonu vysílače.
Frekvenční multiplex FDM a ortogonální frekvenční multiplex OFDM tři základní principy dělení informačního hranolu jsou: frekvenční, časové, kódové (nově též dělení prostorové)
spektrum signálu FDM ochranný interval f
frekvence f
čas t
FDM Marconi 1896
f
dynamika DR
t
TDM Reeves 1937
doba přenosu Tt frekvence f
Vedle klasických metod multiplexu FDM, TDM a CDM se po roce 2000 začíná uplatňovat také prostorový multiplex SDM (Space Division Multiplex), založený na technice více antén MIMO, vytvářející nekorelované rádiové přenosové kanály; těmi lze potom přenášet nezávislé informační toky více uživatelů, nebo zvýšit datovou rychlost jediného uživatele, a to při RFnezvětšené šířce RF pásma a při nezvětšeném výkonu vysílače.
CDM
spektrum signálu FDM spektrum signálu časové rámce signáluOFDM TDM f = 1/ts amplituda amplituda
Vedle klasických metod multiplexu FDM, TDM a CDM se po roce 2000 začíná uplatňovat také prostorový multiplex SDM (Space Division Multiplex), založený na technice více antén MIMO, vytvářející nekorelované rádiové přenosové kanály; těmi lze potom přenášet nezávislé informační toky více uživatelů, nebo zvýšit datovou rychlost jediného uživatele, a to při nezvětšené šířce RF pásma a při nezvětšeném výkonu vysílače.
kód
způsob kódování (výkon)
představuje celkové množství informací, pocházejících od více nezávislých informačních zdrojů, které je zapotřebí přenést během doby Tt v pásmu BRF, při dynamice DR
frekvenční, časové a kódové dělení FDM, TDM a CDM amplituda
Shannonův informační hranol
ochranný interval t
sin(x)/x
Lamarrs 1942
čas. rámec
čas t frekvence f
šířka pásma B
Ortogonální frekvenční multiplex OFDM: u OFDM jsou subnosné vlny relativně velmi blízko u sebe, takže v případě, že jsou modulovány, jejich modulační spektra typu sin(x)/x se vzájemně překrývají; díky ortogonalitě však zde nedochází mezi nimi k interferencím. Avšak již při nepatrném narušení podmínek ortogonality (vlivem frekvenčního ofsetu subnosných vln, úniků v rádiovém kanálu ap) vznikají výrazné interference ICI (Inter Carrier Interference)
Modulace vyšších řádů využívané v LTE (HOM = High Order Modulations) QPSK
BPSK
Konkrétní příklad: 1 bit/s/Hz
2 bit/s/Hz
rozptylení konstelačních bodů v přijímači vlivem šumů, rušení ap. 64QAM
16QAM
4 bit/s/Hz
6 bit/s/Hz
S rostoucím počtem modulačních stavů se zvětšuje spektrální účinnost hs = fb/BRF, takže při neproměnném pásmu BRF se zvětšuje dosažitelná přenosová rychlost fb. Současně se však také zvětšuje potřebný poměr Eb/N0, = S.BRF/fb.N, takže pro zachování stanovené chybovosti BER, je nezbytné zvyšovat energii Eb připadající na jeden datový bit; to lze realizovat zvyšováním výkonu vysílače S, resp. zisku antén ap.
Systém s rádiovou šířkou pásma BRF = 1 MHz může dosahovat v závislosti na formátu použité modulace přenosových datových rychlostí fb: modulace BPSK: 1 Mbit/s modulace QPSK: 2 Mbit/s modulace 16QAM: 4 Mbit/s modulace 64QAM: 6 Mbit/s Při narůstajícím řádu (počtu stavů) dané modulace se zvyšuje potřebný poměr Eb/N0, tedy se snižuje jejich energetická účinnost: mod. BPSK: Eb/N0 = 10,5 dB mod. QPSK: Eb/N0 = 10,5 dB mod. 16QAM: Eb/N0 = 15,0 dB mod. 64QAM: Eb/N0 = 18,5 dB Přímo úměrně zvětšování poměru Eb/N0 se musí pro zachování neměnné chybovosti BER zvyšovat výkon vysílače, resp. zisk vysílací nebo přijí-mací antény; stejný efekt přináší též zmenšování šumového čísla F [dB] přijímače.
latence přenosu [ms]
Latence přenosu buňkových standardů a časový interval TTI
R87
R99
R4
R99
Latence přenosu v komunikační síti je obvykle definována jako obousměrná průběžná doba RTT (Round-Trip-Time), potřebná k přenosu určitého bloku dat, vcházejících ze síťové do linkové vrstvy, v uzavřeném okruhu (např. na okruhu: vysílač MS – přijímač BS – přijímač MS) Přenosový časový interval TTI (Transmission Time Interval) je definován, jako doba potřebná k vyslání jediného rádiového bloku; TTI má přímý vliv na dobu RTT. V přijímači musí být totiž přijat vždy celý blok, tak aby mohl být dekódován, takže TTI určuje základní neostranitelnou složku latence přenosu (u LTE je TTI = 1 msec, u WiMAX je TTI = 5 ms)
2. Progresívní technologie v pozemní komunikaci Šíření rádiových vln v pozemních rádiových kanálech Mnohonásobný přístup TDMA /FDMA v sítích GSM Technika rozprostřeného spektra DS SS (přístup CDMA) Multiplex OFDM, a SC-FDMA resp. DFT-S-OFDM Technologie více antén SIMO, MISO a MIMO
Buňkové struktury s různým opakovacím činitelem RF, aplikované v mobilních systémech generací 3G a 4G RF = 3 (systémy 2G: GSM ...)
RF = 1 (systémy 3G: UMTS ...)
RF = 1...3 (systémy 4G: LTE...)
S2 S2
S2
S3 S3
S3
S1
S1
b)
výkon
S1
c)
S1
výkon
a)
S2
S2 S3 frekvence
S1
výkon
S1
frekvence
S3
S2
frekvence
S3
a) Typická buňková struktura systémů 2G s přístupem TDMA (GSM ap), s činitelem opakování frekvencí RF (Reuse Factor = 1/ Cluster Size) 3; obvyklé hodnoty RF zde bývají RF = 3...12, přičemž zvyšování RF vede k většímu potlačení interferencí, avšak za cenu snižování buňkové propustnosti. b) Buňková struktura systémů 3G s přístupem CDMA (UMTS, cdma2000 ap), s činitelem opakování frekvencí RF =1; opakování frekvencí v sousedních buňkách je zde umožněno díky individuálnímu kódování každého účastnického signálu pomocnými pseudonáhodnými resp. ortogonálními kódy. Vede k vysoké propustnosti systému, která je však placena vyšším nebezpečím interferencí (MAI). c) Buňková struktura systémů ~ 4G s přístupem OFDM (LTE aj), s proměnným činitelem opakování frekvencí RF = 1 ... 3, označovaným jako měkké opakování frekvencí SFR (Soft Frequency Reuse).
Mnohocestné šíření rádiových vln v pozemních kanálech, frekvenčně selektivní a ploché úniky
s(t)
přijímané radioimpulzy r(t) (impusní odezva) 1 2
mezní citlivost přijímače 3
Tm
t
FT
t
výkon. spektrální hustota PDF
okamžitý výkonový profil zpoždění IPDP (instantaneous power delay profile) a spektrální hustota PDF (power delay function)
výkonový profil zpoždění IPDP
vyslaný radioimpulz o šířce Ts
Bc
f
Bs
Profil IPDP pro případ, kdy Ts << Tm: frekvenčně selektivní únik (
ISI)
NLOS
NLOS
1 2 3
Tm
mezní citlivost přijímače
t
IFT
výkon. spektrální hustota PDF
LOS
výkonový profil zpoždění IPDP
THE PUBLIC HOUSE
Bc
Bs
Profil IPDP pro případ, kdy Ts >> Tm: plochý únik ( snížení SNR) LOS = Line of Sight; NLOS = Non LOS
Ts (symbol time) = symbolová perioda; Bs (signal bandwidth) = šířka pásma signálu (Bs ~ 1/Ts ); S() (multipath intenzity profile) = mnohocestný profil zpoždění; Tm (instantaneous excess delay) = okamžité nadměrné zpoždění; = rms nadměrné zpoždění; Bc (coherence bandwidth) = koherentní (korelační) šířka pásma (Bc ~ 1/); Tc = (channel coherence time) = doba koherence kanálu; BD~1/Tc = dopplerovský rozptyl frekvence
f
Mnohonásobný přístup TDMA/FDMA a frekvenční duplex FDD v systému GSM Mnohonásobný přístup TDMA/FDMA Realizace fyzických kanálů ve vysílači GSM fyzický kanál, určený frekvencí fn+1 a časovým slotem 0 (TSL0)
odstup nosných 200 kHz
spojitý hovorový signál
frekvence
komprimovaný burst ve slotu TSL3 f n +1
7
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
fn
7
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
7
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
f n-1
t [ms]
slot TSL 0,577 ms
8 x 0,577 = 4,615 ms rámec TDMA
GSM kanál B G = 200 kHz
maximální uživatelská přenosová rychlost v jednom slotu za 1 sekundu RTSL= 22,8 kbit/s
Frekvenční duplex FDD (GSM900) partnerské kanály Tx/Rx - duplexní odstup fDX = 45 MHz 45 MHz 20MHz 200 kHz 890 MHz trasa UL, šířka pásma BUL = 25 MHz 124 kanálů o šířce pásma 200 kHz
915 MHz frekvence f
960 MHz
935 MHz trasa DL, šířka pásma BDL = 25 MHz 124 kanálů o šířce pásma 200 kHz
duplex FDD: trasy UL a DL mají své individuální nosné vlny, partnerské spojení využívá dvě nosné s duplex. odstupem 45 MHz
Technika s přímým rozprostíráním spektra DS-SS jako základ mnohonásobného přístupu CDMA/FDMA
Technika rozprostřeného spektra s přímým rozprostíráním kódovou posloupností DS SS (Direct Sequence Spread Spectrum) rozprostřené spektrum v rádiovém pásmu BRF rozprostřený datový signál u (t ) 1 s (t ) r (t ) mod 2 m (t ) 1 modulátor BPSK,... vstupní data fb
p (t ) 1 signatura fch a)
cos c (t ) nosná vlna generátor PNP
fch >> fb totožné rozprostírací signály
korelátor rozhodovací obvod
I&D násobič
cos c (t ) nosná vlna
dolní propust
1 Tb p * (t ) 1 signatura fch
(i 1)T b b
iT
ˆ (t ) m vzorky t (i 1) Tb
výstup data
I & D = Integrate and Dump
generátor PNP
Systém s rozprostřeným spektrem DS-SS (Direct Sequence Spread Spectrum) je základem přístupu s kódovým dělením W-CDMA (Wide-Code Division Multiple Access), využívaném v systému UMTS. Přístup W-CDMA je založen na technice rozprostřeného spektra s přímou modulací kódovou sekvencí DS-SS (Direct-Sequence Spread Spectrum). Ve vysílači je na datový signál o bitové rychlosti fb nejprve ve členu modulo 2 (hradlo X-OR) aplikována místně generovaná rozprostírací pseudonáhodná (PN) posloupnost (signatura) o čipové rychlosti fch>>fb.Výstupní signál tohoto kódového modulátoru má potom rovněž zvýšenou rychlost fch a tím i podstatně širší spektrum vůči spektru datového signálu. Tímto signálem je dále v datovém modulátoru (BPSK, QPSK) modulována nosná vlna o frekvenci fc. Přenášený rozprostřený signál se v přijímači nejprve demodulací převede do základního pásma. V korelátoru je za pomoci PN posloupnosti, shodné s PN posloupností vysílače, avšak synchronizované s přijímaným signálem, získáván původní komprimovaný datový signál o rychlosti fb. Ten dolní propust korelátoru bez problémů propouští, kdežto nežádoucí rozprostřené signály (další účastníci multiplexu, interference ap) výrazně potlačuje.
Ortogonální frekvenční multiplex OFDM Výchozí systém OFDM s velkým počtem elementárních modulátorů a demodulátorů modulátory demodulátory podmínka ortogonality: BPSK (DSB) BPSK (DSB) fc= 1/Ts Ts = nTb =Rb/ n přeložená spektra subrádiový kanál s rozptylem d nosných vln šíření mnohocest. složek cos c1t cos c1t data d << nTb = Ts f výstup data vstup SPC cos c2t cos c2t PSC Rb=1/Tb OFDM OFDM Rb; Tb = 1/Rb t signál OFDM, připomínající šum
cos cnt
f fj fk = fj+fc f0 f1 f2 soustava ("mřížka") ortogonálních nosných vln, s přeloženými spektry
cos cnt
U OFDM se vstupní rychlý datový tok (s krátkou periodou Tb) rozdělí do většího počtu n paralelních složek, s podstatně delší bitovou periodou nTb; tyto složky se potom modulují na subnosné vlny s různými frekvencemi. Je-li prodloužená perioda nTb mnohem delší než rozptyl zpoždění použitého rádiového kanálu, výrazně se omezí intersymbolové interference ISI, vznikající v kanálu mezi prodlouženými symboly. Díky ortogonalitě subnosných se značně zvětší i spektrální účinnost OFDM vůči FDM. Subnosné vlny s dlouhou symbolovou periodou jsou postihovány jen plochým únikem, což zjednodušuje jejich ekvalizaci. Slabinou multiplexu OFDM je velký poměr špičkového ku střednímu výkonu PAPR (peak to average power ratio) ve vysílaném signálu. K jeho zpracování je pak nutný výkonově předimenzovaný- a tedy energeticky neefektivní koncový zesilovač vysílače, Moderní realizace systémů OFDM s monolitickými procesory IFFT/FFT blok OFDM blok OFDM data vstup Rb; Tb = 1/Rb
SPC
IFFT
PSC
DAC RF
OFDM
OFDM RF ADC
data výstup SPC
FFT
PSC Rb; Tb = 1/Rb
t
Banku elementárních modulátorů s lokálními oscilátory ve vysílači OFDM lze nahradit jediným monolitickým procesorem pro inverzní rychlou Fourierovu transformaci IFFT a banku demodulátorů procesorem FFT.
Ortogonalita subnosných vln v OFDM časová oblast
frekvenční oblast kanály OFDM
kanály FDM
f
frekvence
perioda symbolu OFDM = Tu frekvenční spektrum signálu OFDM
podmínka ortogonality v časové oblasti: odstup mezi subnosnými vlnami má přesně hodnotu f = 1/Tu; potom v každé symbolové periodě Tu je celistvý počet cyklů tj. "elementárních sinusovek" (i když mohou být po zavedení cyklického prefixu CP vzájemně fázově posunuté)
podmínka ortogonality ve frekvenční oblasti: subnosné vlny jsou relativně velmi blízko u sebe, takže v případě, že jsou modulovány, jejich modulační spektra typu sin(x)/x se vzájemně překrývají; díky ortogonalitě však zde nedochází mezi nimi k interferencím. Avšak již při malém narušení podmínek ortogonality (vlivem frekvenčního ofsetu subnosných vln, úniků v rádiovém kanálu, Dopplerova jevu ap) vznikají interference ICI (Inter Carrier Interference)
Ochranný interval GI v systému OFDM OFDM bez ochranného intervalu GI přijímané symboly OFDM - bez CP
úplný integrační interval Tu pro demodulaci složky LOS TU m
m-1
m+1
LOS NLOS
a)
TU0
d
neúplný integrační interval TU0 pro demodulaci složky NLOS
vznik interferencí ISI&ICI (MI= Multipath Interference)
OFDM s ochranným intervalem GI přijaté symboly OFDM - s CP
GI m-1
úplný integrační interval Tu pro demodulaci složky LOS TU m
TU = 1/f TCP > d m+1
LOS NLOS TU0
b)
TGI= TCP
neúplný integrační interval Tu pro demodulaci složky NLOS
přesah opožděné složky spadá do ochranného intervalu GI → ISI = 0
U systému OFDM následují symboly OFDM o aktivní délce TU těsně po sobě, takže při mnohocestném šíření zasahují v přijímači opožděné složky šíření určitého symbolu do symbolu následujícího (obr. a). Tím dochází k tzv. intersymbolovým interferencí ISI (Inter Symbol Interference). Situaci lze však zlepšit tím, že se před začátek každému symbolu OFDM přidá prázdný ochranný interval GI (Guard Interval), který eliminuje přesahy opožděných složek symbolu předchozího (obr. b). K interferencím ISI potom už nedochází. Intervaly GI však ještě neodstraňují interference mezi subnosnými vlnami ICI (Inter Carrier Interference); ty však lze potlačit vyplněním intervalu GI tzv. cyklickým prefixem CP.
Cyklický prefix CP v systému OFDM OFDM bez ochranného intervalu GI přijímané symboly OFDM - bez CP
úplný integrační interval Tu pro demodulaci složky LOS TU m
m-1
vznik interferencí ISI&ICI (MI= Multipath Interference) m+1
LOS NLOS TU0
d
neúplný integrační interval TU0 pro demodulaci složky NLOS
Tu t
f1
OFDM s cyklickým prefixem CP přijaté symboly OFDM - s CP
CP
t
úplný integrační interval Tu pro demodulaci složky LOS TU
t t cyklický prefix
m-1
f0
f2 f3 fN -1
LOS NLOS TU0 TGI= TCP
úplný integrační interval Tu pro demodulaci složky NLOS
přesah opožděné složky spadá do cyklického prefixu CPI → ICI = 0
Prázdný ochranný interval GI odstraňuje u systému OFDM intersymbolové interference ISI, avšak opožděné složky určitého symbolu ochuzuje o část jejich užitečné aktivní symbolové periody Tu. Integrační vyhodnocovací interval je potom pro tyto složky v demodulátoru přijímače neúplný, čímž dochází k narušení ortogonality mezi subnosnými vlnami a tím i k interferencím ICI, zvyšujícím chybovost. Situaci lze však zlepšit tím, že se ke každému symbolu OFDM předřadí kopie konce jeho průběhu, nazývaná cyklický prefix CP (Cyclic Prefix). Pak ortogonalita není narušena a k interferencím ICI při demodulaci nedochází.
Multiplex OFDM a multiplex SC-FDMA se sníženým poměrem PAPR
pro jednu symbolovou periodu OFDMA zaujímají datové symboly pásmo 15 kHz
pro 1/N-tou část symbolové periody OFDMA zaujímají datové symboly pásmo N x 15 kHz
sekvence přenášených datových symbolů QPSK
SC sy -FD m M bo A l
ča
O sy FDM m A bo l
s
ča
s
66 ,7
ms
O sy FDM m A bo l
SC sy -FD m M bo A l
modulační datové symboly QPSK
frekvence
frekvence
Realizace multiplexu DFT-OFDM doplněním systému OFDM procesory DFT a IDFT blok OFDM
data vstup
blok OFDM
data výstup
DFT-OFDM SPC
DFT
IFFT
PSC
DAC RF
RF ADC
SPC
FFT
IDFT
PSC
V OFDM každá subnosná nese informaci odpovídající vždy jen jedinému vstupnímu modulačnímu symbolu; při náhodné shodě více symbolů se okamžitý výkon - a tím i poměr jeho špičové a střední hodnoty PAPR (Peak to Average Power Ratio) nadměrně zvýší. Ve formátu DFT-OFDM (Discrete Fourier Transform OFDM), resp. SC-FDMA (Single Carrier FDMA), se modulační signál, před modulací OFDM (IFFT) rozprostírá procesorem DFT. Každá subnosná vlna potom obsahuje informace odpovídající vždy více vstupním symbolům, což omezuje nadměrný poměr PAPR
Systémy SISO/SIMO/MISO a MIMO vysílací antény
rádiový kanál
přijímací antény
CSISO = B log2 (1 + S/N)
SNRSIMO ≤ SNRSISO + 3 dB
SNRMISO ≤ SNRSISO + 3 dB
CMIMO ≤ Min (NTx, MRx) CSISO dílčí antény vysílačů resp. přijímačů musí být od sebe dostatečně vzdáleny (minimálně l/2, lépe 5 až 10 l)
Prostý rádiový přenos SISO: přenáší se jen jeden modulační datový tok, po jediné rádiové cestě, přičemž zde nepůsobí žádná ochrana vůči únikům. Přenosová kapacita C0 je dána přímo Shannonovým vztahem C0 = B log2 (1 + S/N). Přijímací resp. vysílací prostorová diverzita SIMO / MISO: přenáší se jediný modulační datový tok po více rozdílných, pokud možno co nejméně vzájemně korelovaných cestách; tím se zvyšuje imunita proti únikům, šumu i interferencím (oproti SISO), a to přímo úměrně počtu přijímacích resp. vysílacích antén; přenosová kapacita se však téměř nemění. Přitom není nutné zvětšovat původní vysílací výkon ani šířku pásma (vůči SISO). Systémy se hodí pro malé poměry SNR Prostorový multiplex MIMO: přenáší se více datových toků po více rozdílných slabě korelovaných cestách, vytvářených více anténami ve vysílači i v přijímači; tím se vytváří prostorový multiplex, zvyšující přenosovou kapacitu celého systému to při původním nezvětšeném výkonu vysílače a při původní nezvětšené šířce rádiového (RF) pásma (vůči ekvivaletnímu systému SISO). U systémů MIMO je žádoucí velký poměr SNR.
Systémy s více anténami, využívanými k formování anténních svazků (směrových diagramů) zlomky l
Moderní anténní systémy s tzv. formováním vyzařovacích svazků BF (Beam Forming) využívají ve vysílači Tx, nebo v přijímači Rx více antén, které e j2 e j1 e j3 e j 4 prostřednictvím řízení fází vysílaných resp. přijímaných signálů slouží k formování kompozitního anténního Formování anténního svazku s malými svazku TxBF, nebo RxBF (Transmitter / vzájemnými vzdálenostmi antén, a tím i Receiver - side Beam Forming). To s jejich silnou vzájemnou korelací zvětšuje poměr SNR užitečného přijímaného signálu, což potom zmenšuje chybovost přenosu, nebo také MS1 MIMO alternativně zvyšuje přenosovou rychlost prekodér resp. propustnost (při zachované MS2 chybovosti). Systémy BF lze rovněž využívat k potlačení dominantních systém MISO, selektivně směrující zdrojů rušení IRC (Interference vyzařování BS základnové stanice Rejection Combining). na dvě mobilní stanice MS1 a MS2 s2
IFFT
s1
s3
s4
Klasifikace systémů s více anténami Radiokomunikační systémy s více anténami
Prostorová diversita SD SIMO, MISO
Přijímací diversita SIMO (RxSD)
s přepínáním resp. selekcí
Formování anténních svazků BF RxBF; TxBF
Vysílací diversita MISO (TxSD)
Prostorový multiplex SM MIMO
Prostorový multiplex SM s otevř. smyčkou OLSM
s otevř. smyč. s uzavř. smyčkou s komb. MRC; CDD; STBC; SFBC STD; MRT;TxBF; EGC; RxBF
SU-MIMO s jediným uživatelem
Prostorový multiplex SM s uzavř. smyčkou CLSM
MU-MIMO s více uživateli jedna /více buněk (INTF/COOP)
SD: Spatial Diversity; SM: Spatial Multiplexing; SINR: Signal to Noise Ratio; RxSD: Receive Spatial Diversity; TxSD: Transmit Spatial Diversity; OLSM: Open Loop Spatial Multiplexing; CLSM: Closed Loop Spatial Multiplexing; MRC: Maximal Ratio Combining; EGC: Equal Gain Combining; RxBF: Receive Beamforming; CDD: Cyclic Delay Diversity; STBC: Space Time Block Codes; STFC: Space TimeFrequency Codes; STD: Selecting Transmit Diversity; MRT: Maximum Ratio Transmission; TxBF: Transmit Beamforming; SU: Single User; MU: Multiuser; INTF: Interference MU-MIMO; COOP: Cooperative MU-MIMO
3. Buňkové systémy GSM/E-EDGE, UMTS/HSPA
3
.
B
u
ň
k
o
v
é
s
a metropolitní systém WiMAX
Předpověď vývoje mobilních systémů pro příští léta Standard E-EDGE jako poslední verze GSM (2G) Standard UMTS a jeho pokročilá verze HSPA (3G) Metropolitní síť WiMAX (WiMAX2.0 / 802.16m)
relativní počet uživatelů
Předpověď příštího vývoje pozemní mobilní komunikace předpověď vývoje z roku 2011 na rok 2015
předpověď vývoje z roku 2006 až do roku 2020
3GPP release 10 and Beyond. 4G Americas member companies, Febr. 2011
předpověď vývoje standardů GSM/EDGE a UMTS/ HSPA odpovídá současnosti, rozvoj sítí LTE/LTE-A však ještě nepovede k jejich dominanci po r. 2015
mob. WiMAX 58 million
3GPP (UMTS-HSPA-LTE): 87%; EV-DO (3GPP2): 13%; Mobile WiMAX (IEEE 802.16m) ≥ 1%; ∑ 4.2 Billion Subscription
počet uživatelů LTE-A naroste z cca 30 milionů na 300 milionů tj. 10 krát UMTS Forum Rep. 2011
1 Petabyte = 1 000 000 Gbytes
UMTS Forum Rep. 44, 2011
Nárust globálního mobilního provozu v letech 2007 až 2015; zvyšovat se bude zejména datový provoz, telefonní (hlasový) provoz poroste jen velmi mírně
Nárust počtu uživatelů sítí LTE/LTE-A mezi léty 2012 až 2015; přes velice rychlý rozvoj budou sítě LTE/LTE-A zaujímat 10% celkového objemu
Hlavní charakteristiky standardu E-EDGE, v porovnání se standardy GSM, GPRS a EDGE
Sdružování nosných vln na DL (Multi Carrier DL) a na UL (Multi Carrier UL) Sdružením více dílčích rádiových kanálů (nosných vln) se zvětší aktuální rádiová šířka pásma na násobky 200 kHz a tím se i násobí účastnická provozní kapacita; technicky únosné je sdružení až 4 pásem po 200 kHz. Přijímače a vysílače jsou však náročnější, neboť musí být vícekanálové, nebo širokopásmové.
Adaptivní modulace vyšších řádů HOM a adaptivní kódování Kromě modulací GMSK (GSM) a 3/8 PSK (EDGE) přibývají v E-EDGE vícestavové modulace 16-QAM a 32-QAM. Ty disponují vyšší spektrální účinností h, takže zvyšují propustnost systému(hGMSK = 1,3 bit/s/Hz, h64QAM = 6 bit/s/Hz); mají však nižší energetickou účinnost, proto vyžadují vyšší poměry signálu k šumu SNR v přijímači a také zpřísňují nároky na linearitu koncových stupňů ve vysílačích. Nastupují zde také kanálové turbo kódy s výrazně vyšším kódovým ziskem v porovnání s konvolučními či blokovými kódy. Typ modulace i kanálového kódu si systém adaptivně volí dle okamžité kvality (poměru SNR) rádiového kanálu.
Mobilní stanice E-EDGE s přijímací prostorovou diverzitou (duální anténou) Mobilní stanice s duální anténou poskytuje přijímači prostorovou přijímací diversitu MSRD (Mobile Station Receive Diversity), která zvětšuje průměrný poměr SNR přijímaného signálu až o 3 dB a tím zvětšuje přenosovou rychlost resp. zlepšuje kvalitu přenosu na okrajích buněk a v zastíněných oblastech a také potlačuje ploché úniky.
Mobilní stanice typů 1 a 2 Běžná mobilní stanice MS typ 1 neumožňuje současné vysílání a příjem; mobilní stanice typ 2, dostupná v E-EDGE, umožňuje současné vysílání a příjem a tím zhruba zdvojnásobuje přenosovou rychlost.
Redukce latence RTT V E-EDGE se zkracením intervalu TTI na 100 ms redukuje latence přenosu v uzavřeném okruhu RTT na 10 ms; k redukci latence napomáhá také zkracování doby reakce přijímače MS při neúspěšném přenosu (NACK) a další zjednodušení architektury systému
Systém UMTS: časově-frekvenční struktura signálů 5 MHz
celková šířka pásma datová šířka pásma
(nonvariable) kmitočet f
vysoká proměnná rychlost
vysoká proměnná rychlost
kanál 3
střední proměnná rychlost
kanál 2
signalizace
kanál 1 čas t [ms]
0 10 20 30 nízká konstantní rychlost nízká proměnná rychlost GSM 1800
1880
1850
UMTS TDD 1900 1920
DECT
1900
UMTS FDD UL
MSS 1980
1950
UMTS TDD 2010 2025
2000
UMTS FDD DL 2110
2050
2100
MSS 2170
2150
2200
2200
f [GHz]
Přednosti CDMA: Přístup WCDMA dovoluje systému UMTS dynamicky měnit příděl šířky pásma účastníkům, v závislosti na jejich okamžité potřebě; příděl šířky pásma v dílčích kanálech je vzájemně zcela nezávislý a aktualizuje se každých 10 ms (= TTI). TTI = 10 ms Různé šířky pásma se zde získávají technikou tzv. ortogonálního proměnného činitele rozprostření OVSF (orthogonal variable spreading factor), tj. změnou poměru konstantní čipové rychlosti ku proměnné bitové rychlosti. Nedostatky WCDMA: Rozšiřování šířky RF pásma nad 5 MHz již neúnosně ztěžuje realizaci mobilních terminálů, neúnosně se komplikují především ekvalizační obvody přijímačů. WCDMA též neumožňuje velmi efektivní kanálově závislé rozvrhování.
Datová propustnost systémů pro mobilní komunikaci pokročilé druhé a třetí generace šířky pásma a modulace
Standard
sestupná trasa DL
vzestup. trasa UL
EDGE (typ 1 MS)
236,8 kbit/s
236,8 kbit/s
EDGE (typ 1 MS)
473,6 kbit/s
473,6 kbit/s
E EDGE (typ 2 MS-antén. duplex)
1894,4 kbit/s
947,2 kbit/s
UMTS WCDMA Rel 99
2,048 Mbit/s
768,0 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
BRF = 20 MHz QPSK; 16QAM; 64QAM
LTE-A (8x4 MIMO)
> 1 Gbit/s (8x4 MIMO)
> 500 Mbit/s (4x4 MIMO)
BRF = 2x20 = 40MHz; ..64QAM
HSPA (2x2 MIMO, DL-UL:16QAM)
BRF = 200 kHz; 8PSK BRF = 2x200 = 400 kHz; 8PSK BRF = 2x200 = 400 kHz; 32QAM
BRF = 5 MHz; QPSK; 16QAM; 64QAM
● Mobilní stanice typu 1 je vybavena anténním přepínačem, který neumožňuje současné vysílání a příjem, takže nelze sdružovat všech osm časových slotů rámce TDMA (v praxi lze kombinovat nejvýše asi 5 slotů) ● Mobilní stanice typu 2 s anténním nízkoztrátovým duplexerem (SAW) dovoluje sdružování všech osmi časových slotů, což vede k maximální uživatelské přenosové rychlosti (E-EDGE)
Metropolitní standard WiMAX (IEEE 802.16): porovnání rádiového rozhraní se systémem LTE
Standardy LTE/SAE i WiMAX (poslední verze WiMAX2.0/IEEE 802.16m) využívají jako základní přenosový formát ortogonální frekvenční multiplex OFDM, shodné jsou také modulace subnosných vln QPSK, 16QAM, 64QAM; LTE na UL však užívá formát SC-FDMA, který má podstatně menší poměr PAPR. Oba systémy využívají duplex TDD, LTE však má ještě navíc možnost duplexu FDD. Oba systémy aplikují moderní ochranné kanálové kódy, zejména turbo kódy, konvoluční kódy CTC a BTC, kódy kontroly parity s nízkou hustotou LDPC aj. U obou systémů se používá rychlá Fourier. transformace o rozměru 512 (5 MHz). Téměř stejné jsou i volitelné šířky pásma (LTE: 1,4; 3; 5; 10; 15; 20 MHz; WiMAX: 1,25; 5; 10; 20 MHz), s možností jejich agregace (2 x 20 = 40 MHz ap). Blízké si jsou i další parametry jako je odstup subnosných vln (LTE: 15 kHz; WiMAX: 10,94 kHz), délka cyklického prefixu (LTE: 4,69 ms ; WiMAX: 11,4 ms) a délka kompletního symbolu OFDM (LTE: 71,36 ms; WiMAX: 102,9 ms). Oba systémy aplikují adaptivní modulace a kódování AMC, hybridní opakování H-ARQ apod. U obou systémů se široce využívají koncepce více antén, a to jak ve formě prostorové přijímací a vysílací diverzity, tak ve formě prostorového multiplexu. U obou systémů se uplatňuje i technika formování anténních svazků. Vzhledem ke značné podobnosti technické implementace potom ovšem oba systémy vykazují také podobné výsledné vlastnosti.
4. Systémy LTE a LTE-A (SAE) Shrnutí základních vlastností standard LTE/SAE Plochá architektura standardů LTE/SAE a LTE-A Časově frekvenční struktura signálů v LTE/SAE Technologie více antén v systémech LTE/ LTE-A Evoluční vývojová verze standardu LTE: LTE-A Frekvenční pásma standardu LTE-A
Základní terminologie ve standardu LTE/SAE Systém LTE/SAE se skládá z nové rádiové přístupové sítě LTE (Long Term Evolution) a nového jádra sítě SAE (System Architecture Evolution). V dokumentech 3GPP je kompletní systém LTE/SAE alternativně označován rovněž jako pokročilý paketový systém EPS (Evolved Packet System). Zkratka LTE (Long Term Evolution) označuje rádiovou přístupovou síť, založenou na ortogonálním frekvenčním multiplexu OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), který je pro širokopásmové aplikace výhodnější, než přístup s kódovým dělením W-CDMA (Wideband-Code Division Multiple Access), aplikovaný v sítích UMTS, cdma aj. Zkratka E-UTRA (Evolved-UMTS Terrestrial Radio Access Network) je alternativní označení pro přístupovou síť LTE Jádro SAE (System Architecture Evolution) systému LTE/SAE vznikalo evolučním vývojem z předchozích koncepcí 3G, a proto se označuje buď zkratkou SAE), anebo také zkratkou EPC (Evolved Packet Core). LTE-A (LTE-Advanced) je poslední vývojovou variantou LTE, která dále zyšuje datovou rychlost, snižuje latenci a zlepšuje řadu základních parametrů LTE, podporuje nové služby atd.
Shrnutí základních charakteristik standardu LTE/SAE Parametr
realizace resp. číselné hodnoty
mnohonásobný přístup DL/UL
OFDMA/SC-OFDM
modulace DL/UL
QPSK, 16QAM, 64QAM
flexibilní šířka pásma BRF (agregace pásem BRF)
1,25; 2,5; 5; 10; 15 a 20 MHz (2x20 = 40 MHz…)
duplex
TDD nebo FDD (HFDD)
odstup subnosných f / délka symbolu OFDM
15 kHz (7,5 kHz) / 1:f = 66,66… ms (133,3 ms)
cyklický prefix TCP
normál: 5,21 ms; rozšířený: 16,67 ms (SFN)
datová rychlost s technikou MIMO na DL
DL: 172,8 Mbit/s (při 2x2 MIMO); UL: 57,6 Mbit/s (při 64QAM); BRF = 20 MHz na DL i na UL
špičková datová rychlost, s MIMO na DL
DL: 326,4 Mbit/s (při 4x4MIMO); UL: 86,4 Mbit/s (při 64QAM); BRF = 20 MHz na DL i na UL
latence v kontrolní rovině (sestavení spojení) latence v uživatelské rovině (na okruhu RTT)
< 100 ms (Transition Time) < 10 ms (RTT = Round Trip Time: MS→BS→MS)
maximální rozměry buněk
běžně do 5 km, vyjímečně až 100 km (s mírnou degradací funkce nad 30 km)
mobilita mobilního terminálu
optimální funkce do rychlosti 15 km/h; maximální funkční rychlost až 500 km/h
technika MIMO na DL technika MIMO na UL
preferuje více Tx i Rx antén na základnové stanici eNB preferuje jedinou Tx a více Rx antén na mob. stanici UE
Hierarchická vertikální architektura systémů GSM / UMTS a úsporná plochá architektura systému LTE (3GPP) GSM(2G) / UMTS(3G)
LTE / SAE ~ EPS
CN jádro sítě
EPC ~ SAE jádro sítě
HA/GGSN
S-GW / P-GW
PDSN/SGSN
MME
BSS/UTRAN přístup. síť
E-UTRAN LTE, LTE-A přístup. síť
BSC/RNC BTS/NodeB
a)
MS/UE
eNodeB
b)
BTS: Base Transceiver Station; BSC: Base Station Controller; RNC: Radio Network Controller; BSS: Base Station Subsystem; UTRAN: Universal Terrestrial Radio Access Network; PDSN: Packet Data Support Node; SGSN: Serving Gateway Support Node; HA: Home Agent; GPRS: General Pacet Radio Access; GGSN: Gateway GPRS Support Node; EDGE: Enhanced Data for GSM Evolution; CN: Core Network; UMTS: Universal Mobile Telecommunication System; E-UTRAN: Evolved-UMTS Terrestrial Radio Access Network; LTE: Long Term Evolution; eNodeB (eNB): Evolved NodeB; MME: Mobility Management Entity; SGW: Serving Gateway; P-GW: Packet Data Network (PDN) Gateway; EPC: Evolved Packet Core; SAE: System Architecture Evolution; EPS: Evolved Packet System MS: Mobile Station; UE: User Equipment;
UE
● Standard LTE/SAE = EPS má plochou architekturu s dvěma uzly, jež je jednodušší, než vertikální architektura sítí GSM a UMTS se čtyřmi uzly; aplikuje paketový přenos (PDN), na bázi protokolu IP (MIP) ● Výhodou ploché architektury je vysoká datová rychlost, vyšší spolehlivost, snížení latence přenosu i doby sestavení spojení a nižší náklady CAPEX a OPEX. ● Architektura jádra sítě SAE umožňuje interoperabilitu s mobilními i fixními sítěmi využívajícími služby na bázi IP, jako je např. UMTS/HSPA (3GPP), CDMA2000 (3GPP2), WiMAX (IEEE) ap; podporuje kooperaci i se staršími sítěmi “nonIP“, jako je GSM/EDGE i s dalšími přístupovými technologiemi.
Propojení architektur systémů LTE/SAE a GSM/UMTS
Generická rámcová časová struktura LTE 1 rádiový rámec LTE ~ Tf = 10 ms (307200 Ts) 1 subrámec = TTI = 1 ms 0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7 symbolů OFDM (krátký prefix CP)
8
1 slot = 0,5 ms 9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
0
1
2
3
4
5
6
cyklické prefixy CP
TTI = Transmission Time Interval
V signálu OFDM v LTE je specifikováno 2048 subnosných vln, se vzájemným odstupem 15 kHz. Ačkoliv mobilní stanice MS musí být schopné příjmu všech těchto subnosných, vysílač základnové stanice nemusí ani zdaleka vždy všechny vysílat; povinné minimum je jen 72 subnosných. Celkový počet dosažitelných subnosných závisí na aktuální šířce přiděleného přenosového pásma. Standard LTE definuje šířky pásma v širokém rozsahu 1,4 až 20 MHz. Subnosné jsou modulovány jedním z formátů QPSK, 16QAM a 64QAM. Konkrétní variantu modulace, stejně jako typ (rychlost) kódu FEC, parametry hybridního opakování přenosu HARQ ap, si systém může v některých režimech adaptivně volit podle okamžité kvality rádiového kanálu. Na horním obrázku je znázorněna generická časová rámcová struktura LTE, používaná na trase DL v režimu duplexu FDD; alternativní struktura je definována i pro režim TDD. Rámec LTE o době trvání Tf = 10 ms je dělen do 10 subrámců o délkách 1 ms, odpovídajících přenosovém časovému intervalu TTI (Transmission Time Interval). Každý subrámec se dále člení do dvou časových slotů o délkách 0,5 ms, takže v celém rámci LTE je 20 slotů. Jeden slot obsahuje při použití dlouhého (rozšířeného) cyklického prefixu CP celkem 6 OFDM symbolů, při krátkém (normálním) prefixu CP je to 7 OFDM symbolů.
Zdrojová mřížka LTE (SISO)
frekvence subnosných
jeden rádiový rámec 10 ms = 20 časových slotů po 0,5 ms
celkem NPRB zdrojových bloků PRB (tj. celkem 12 NPRB subnosných vln)
...
čas
12 subnosných 12x15=180 kHz
slot č. 19
...
...
slot č. 0
zdrojový element (časově-frekvenční symbol): 1 subnosná x 1 symbol OFDM QPSK-2 bity; 16QAM-4 bity; 64QAM-6 bitů
7 symbolů OFDM (krátký CP)
fyzický zdrojový blok PRB: 12 subnosných (180 kHz) x 1čas. slot (0,5 ms) 1 čas. slot: 7 symbolů OFDM (při krátkém CP) 1 čas. slot: 6 symbolů OFDM (při dlouhém CP)
Časově frekvenční strukturu signálů LTE popisuje zdrojová m řížka (Resource Grid), zobrazená výše; ta platí pro systém SISO s jedinou vysílací anténou, při aplikacích M IM O odpovídá každé vysílací anténě její individuální zdrojová m řížka. V LTE je základní nejm enší datovou jednotkou fyzický zdrojový blok PRB (Physical Resource Block). Ten se skládá z 12 sousedních subnosných s odstupy po 15 kHz, takže zaujím á pásm o 12 x 15 = 180 kHz a m á dobu trvání jednoho slotu tj. 0,5 m s. Základní přenosovou jednotkou, přidělovanou uživatelům , je však pár (dvojice) po sobě následujících sousedních přenosových bloků, zaujím ajících čas jednoho subrám ce tj. intervalu TTI = 1 m s. Jediném u uživateli vysílajícím u na trase DL, m ůže být v tom to intervalu obecně přiděleno více těchto párů, příděl se aktualizuje vždy s každým novým intervalem TTI. Krátký interval TTI = 1 m s je základním předpokladem pro m alou latenci přenosu a značnou přizpůsobivost na velm i rychlé zm ěny kvality rádiového kanálu.
Frekvenčně selektivní úniky a kódování v sítích LTE průběh úniku
nekvalitní přijímané subnosné vlny
vysílané subnosné vlny rádiový kanál s únikem frekvence
a) kanálové kanálové kódování kódování
frekvenční frekvenční prokládání prokládání
c)
frekvence
b)
b informační bit
kanálové kódování modulace modulace OFDM OFDM
c1
c2
c3 c4 ...
zakódované bity frekv. prokládání (mapování na subnosné vlny
d)
frekvence Frekvenčně selektivní únik v systému OFDM: a) původní subnosné vlny a průběh úniku; b) subnosné ovlivněné únikem; c) kanálové kódování ve spojení s prokládáním ve frekvenční oblasti; d) rozptýlení zakódovaných bitů ve frekvenční oblasti (frekvenční interleaving)
Systém OFDM v základní podobě je značně ovlivňován frekvenčně selektivními úniky, které mohou vést až k úplnému potlačení celých shluků subnosných vln (obr. a,b). Vhodným kanálovým kódováním, ve spojení s frekvenčním prokládáním (obr. c), se vytváří kódovaný multiplex C-OFDM, u něhož dochází k rozprostření ochranných bitů v širším frekvenčním pásmu (obr. d). To mu přináší cennou frekvenční diverzitu, potlačující účinky úniku.
Kanálově závislé rozvrhování v sítích LTE kanálově závislé rozvrhování (channel dependent scheduling) na trase DL eNB
UE
a)
UE
b)
V systému OFDM/LTE na sestupné trase DL přiděluje periodicky základnová stanice eNB právě aktivním uživatelům určitá pásma (soubory subnosných vln), potřebná pro jejich přenos; volné nosné jsou z důvodů úspory energie a snížení interferencí potlačeny. Toto přidělování (rozvrhování) se realizuje tak, že mobilní stanice UE nepřetržitě monitorují referenční signály vysílané základnovou stanicí, vyhodnocují jejich kvalitu a příslušnou informaci o stavu kanálu CSI (Channel State Information) předávají zpět na eNB. Základnová stanice má tedy stále k dispozici časově frekvenční mapu kvality signálu resp. úniků na všechaktvních kanálech, tak jak pro dva uživatele ukazuje obr. a Jeden nebo více zdrojových bloků PRB potom přidělí základnová stanice vždy jen tomu uživateli, který má lepší současný poměr signál/šum (obr. b). Souběžně s touto technikou rozvrhování se adaptivně mění i stupeň ochrany FEC, parametry HARQ ap. Přestože je v uvažovaném systému aktivní vždy jen jediný uživatel (uživatelská diverzita), celková efektivita systému se oproti režimu více paralelních uživatelů zvýší.
Technologie více antén v systémech LTE/ LTE-A V systémech mobilní komunikace LTE (LTE-A) se budou nejčastěji využívat technologie více antén SIMO, MISO, MIMO a BF v následujících variantách : Sestupná trasa DL: ● Přijímací diverzita SIMO, obvykle se dvěma Rx anténami a s kombinováním na maximální poměr MRC (Max. Ratio Combining), zvyšující robustnost přenosu. ● Vysílací diverzita s otevřenou smyčkou (OL MISO), s prostorově-časovým blokovým kódem SFBC (Space Frequency Block Code), specifikovaná pro dvě nebo čtyři Tx antény na eNB; tato koncepce též zvyšuje robustnost přenosu. ● Prostorový multiplex, obvykle v konfiguraci 2X2 SU MIMO, nebo 4x2 MIMO; výhodná je verze s uzavřenou smyčkou a předkódováním, s využitím informace o kvalitě kanálu CQI (Channel Quality Information). Kromě multiplexu MIMO se užívá i cyklická diverzita se zpožděním CDD (Cyclic Delay Diversity). Vzestupná trasa UL: ● Přijímací diverzita se dvěma nebo čtyřmi přijímacími anténami na eNB, zvyšující robustnost přenosu. ● Mnohouživatelský virtuální multiplex MU MIMO, nazývaná též virtuální MIMO (VMIMO), využívá více jednoduchých UE s jedinými anténami, vysílajících v režimu prostorového multiplexu ve společném pásmu a čase svá data k eNB. ● Vysílací diverzita zvyšující robustnost, resp. SU MIMO prostorový multiplex zvyšující datovou rychlost, se dvěma Tx anténami na UE.
Přijímací diverzita SIMO s kombinováním MRC (Maximum Ratio Combining)
h1= 1ej1 s0 n1 vysílač
j
h2= 2e
n2
r1= h1 s1+ n1 odhad kanálu
h1
*
h*1
r2= h2s2+ n2 odhad kanálu
h2
*
h*2
~ s0
s0 detektor detektor ML ML
Odhad kanálu: V přijímači MRC je nezbytné plynule realizovat odhad rádiového kanálu. To umožňuje technika periodického vkládání pomocných referenčních symbolů mezi vysílaná data. Přijímač strukturu těchto symbolů zná a jejich porovnáváním s odpovídajícími přijímanými symboly, vytváří odhad kanálu.
Přijímací diverzita s kombinováním na maximální poměr MRC (Maximum Ratio Combining), znázorněná pro dvě diverzitních větve na obrázku, vede k maximálnímu poměru signálu ku šumu SNR na výstupu přijímače. Je vhodná především pro úzkopásmové rádiové kanály, v nichž jsou přenášené signály pouze doprovázeny bílým šumem AWGN a postihovány frekvenčně plochými úniky. Signály přijímané z obou větví se individuálně váží a poté se sčítají. Komplexní váhové koeficienty wi jsou voleny takto: - jejich amplitudy jsou přímo úměrné amplitudám hi zisků (odezev) jim odpovídajících diverzitních větví, tedy silnějším přijímaným signálům jsou přiřazeny větší váhy; - jejich fáze jsou stejně velké, avšak mají opačné znaménko, než fáze zisků příslušných větví. Všechny váhované užitečné složky potom mají shodné fáze a dochází tedy k jejich koherentnímu kombinování, kdežto šumy dílčích antén se sčítají nekoherentně tj. s náhodnou fází. Proto při kombinování dochází ke zlepšení celkového výstupního poměru SNR. Ve vektorovém zápisu je vážení MRC vyjádřeno vztahem wi = hi* , tedy váhové koeficienty w se přímo rovnají komplexně sdruženým hodnotám hi* zisků odpovídajících větví. U systému s N přijímacími anténam, s nulovou vzájemnou korelací, je potom výsledný poměr SNR určen vztahem kN1 SNR k , tedy je prostým součtem poměrů SNR dílčích antén. Při stejných poměrech SNR1 = SNR2 = … = SNR je diverzitní zisk přímo úměrný počtu přijímacích antén NR, tedy pro NR = 2 je diverzitní zisk 3 dB, pro NR = 3 je zisk 4,77 dB atd
Prostorový multiplex 2x2 SU MIMO,
jako výchozí mód MIMO ve standardu LTE 010 110
IFFT (OFDM)
110
110 odraz, ohyb a rozptyl rádiových vln
010
FFT (OFDM)
FFT (OFDM)
dekód. FEC deimterleav.
010 IFFT (OFDM)
měkké rozhodování
přijímač 2x2 MIMO přijímač MIMO
předkódování
prostorový multiplex SM
data vstup 010110
FEC/interleaving/H-ARQ
vysílač 2x2 MIMO
data výstup 010110
indikátor kvality kanálu CQI (Channel Quality Information) adaptace modulací, kódu FEC; H-ARQ ...
Technika 2x2 MIMO, aplikovaná v LTE jako výchozí systém prostorového multiplexu SDMA: na každou z přijímacích antén mohou přicházet signály od obou vysílacích antén, a to jak po přímých trasách šíření LOS (Line of Sight) zakreslených v obrázku, tak po nepřímých trasách NLOS (vlivem ohybu, odrazu a rozptylu rádiových vln). Díky kódování ve vysílači může přijímač MIMO ze směsi signálů přijímaných každou přijímací anténou oba různé vysílané signály opět rozlišit a dále již odděleně zpracovat. V systému lze zavést předkódování (precoding), které na základě zpětnovazební informace CQI optimalizuje vysílané signály tak, aby byly co nejlépe přizpůsobeny svou modulací, kódem FEC, parametry opakování přenosu H-ARQ ap, momentálním parametrům aktuálního rádiového kanálu; předkódování je však možné aplikovat jen při nízkých rychlostech MS. Zobrazený systém 2x2 MIMO může zvýšit přenosovou kapacitu vůči referenčnímu systému SISO až dvakrát, a to při nezvětšené šířce pásma a nezvětšeném celkovém vysílacím výkonu. U plánovaného systému 8x8 MIMO (LTE-A) bude možné zvýšit přenosovou kapacitu až osmkrát; skutečné zvýšení kapacity v praxi však je nižší.
Mnohouživatelský multiplex MU-MIMO (V-MIMO ) s virtuální mobilní stanicí BS
MS 3
virtuální mobilní stanice
MS 1 MS 2
Virtuální distribuovaný systém MIMO, složený ze tří mobilních stanic, které mají po jediné anténě a dohromady tvoří jedinou „kompozitní“ virtuální mobilní stanici MS se třemi anténami
Mnohouživatelské systémy MIMO s více anténami zvyšují díky multiplexnímu zisku výrazně propustnost systému. Avšak jejich realizace je komplikovaná a nákladná, neboť každá dílčí anténa vyžaduje svůj individuální RF řetězec, což mj. zvyšuje značně spotřebu systému a u stanic UE/eNB působí i potíže s prostorovým rozložením antén. Řešení těchto problémů na trase UL výrazně ulehčuje virtuální MIMO (V-MIMO), což je technika prostorového multiplexu SDM, kde svazek více uživatelských stanic UE z nichž každá má jedinou nebo i více antén - umožňuje vytvořit virtuální kompozitní uživatelskou stanici MIMO, přenášející jejich data k základnové stanici BS, vybavené více anténami. Stanice UE jsou prakticky vždy od sebe dostatečně vzdálené a využívají tytéž rádiové zdroje (čas, frekvenci aj). Takto koncipovaný systém si zachovává všechny atributy konvenčních systémů MIMO s prostorovým multiplexem, tedy zvýšenou systémovou kapacitu a spektrální účinnost, a to v nezvětšeném RF pásmu.
Porovnání systémů SISO a SIMO z hlediska průměrného poměru SNR a výpadků spojení systém SISO systém SISO
systém 1x4 SIMO
0
0 požadovaný signál
požadovaný signál -10 SIRSIR
-20
8 dB8 dB
-40
[dB]
[dB][dB]
-10 -10
SIR SIR 14 dB dB ~14
interference -20
-40 interference
-60 -60 0
-60 20
40 čas [s]
60
80
0
20
40 čas [s]
60
80
zlepšení SIR u SIMO = 14 - 8 = 6 dB
Porovnání systémů SISO a systémů SIMO, pracujících v diversitním režimu, z hlediska zlepšení jejich průměrného poměru signálu k interferencím SIR: v přijímači SIMO dochází při kombinování signálů dílčích přijímacích antén v případě užitečného signálu k výraznému zvětšení jeho průměrné úrovně-dík určité vzájemné korelaci kombinovaných složek; naproti tomu kombinované interferující složky jsou vzájemně většinou podstatně slaběji korelované. Výsledný průměrný poměr SIR je potom u systému MIMO znatelně lepší, než u SISO.
Evoluční vývojová varianta standardu LTE: LTE - A LTE-Advanced, (standard 3GPP LTE Rel-10 a výše) je evoluční vývojová verze standardu LTE Rel-8), přinášející řadu následujících zdokonalení, při zachování kompatibility s LTE R-8. Sdružování nosných vln (carrier aggregation) resp. dosavadních dílčích šířek do jediného širšího pásma, a to až do maxima 520 MHz=100 MHz, je významným přínosem sítí LTE-A. Techniky MIMO vyšších řádů (High Order MIMO), a to na trase DL až do konfigurace 88 MIMO a na trase UL až 44 MIMO poskytují např. při kompozitní šířce pásma 2x20=40 MHz a technice 84 MIMO na trase DL maximální rychlost až 1 Gbit/s (!). Podpora heterogenních sítí HetNet (Heterogeneous Networks Support): heterogenní sítě vznikají rozšiřováním stávající fixní infrastruktury o nové reléové uzly RN (Relay Node), zařazené mezi mobilními stanicemi a základnovými stanicemi a působící jako opakovače (repeaters). Témuž účelu slouží i nízkovýkonové mikro a piko uzly, femto uzly, domovské uzly HeNB a vzdálené rádiové hlavice RRH (Remote Radio Head). Heterodynní sítě zkracují průměrné vzdáleností přijímač-vysílač a tím zvyšují poměry SNR/SIR. To se projeví ve zvyšování dosažitelných datových rychlost v celých buňkách i ve zdokonalování pokrytí v hraničních oblastech buněk ap. Koordinovaný mnohabodový přenos CoMP (Coordinated Multi-point Transmission) umožňuje určitému terminálu UE, zejména na hranicích buněk, přijímat signály více blízkých základnových stanic eNB, jejichž činnost je koordinována. IMS (IP Multimedia Subsystem) je servisní platforma, umožňující operátorům zavádění multimediálních aplikací na bázi protokolu Internet (IP). K nim náleží přenos hovoru VoIP, sdílené video, streamingové video, interaktivní hry, mód navázání spojení PoC (Push over Cellular) aj. Služba mobilního rozhlasového a multikastového vysílání (Mobile Broadcast and Multicast Service umožňuje všem, nebo vybraným předplatitelům přijímat na své terminály stejné informace rozhlasového typu (všeobecné informace, zábavní pořady apod). Díky formátu OFDM lze tuto službu s výhodou realizovat technikou monofrekvenčních sítí SFN.
Sdružování nosných vln CA (Carriers Aggregation)
v systému LTE se sdružením pěti pásem po 20 MHz získá pásmo 100 MHz spojitý kompozitní kanál
rozvrhovač
RLC LTE subnosné CC1
LTE subnosné CC2
LTE subnosné CC3
a)
MAC
HARQ
HARQ
HARQ
HARQ
HARQ
PHY
modulace kódování
modulace kódování
modulace kódování
modulace kódování
modulace kódování
frekvence
nespojitý kompozitní kanál LTE subnosné CC 1
...
LTE subnosné CC 2
...
LTE subnosné CC3
frekvence
LTE : 20 MHz LTE- A : 5 x 20 = 100 MHz
frekvence b) c) a) Spojité sdružování CA U této varianty se všechny příslušné subnosné vlny CC nacházejí těsně vedle sebe (Contiguous Spectrum), uvnitř jediného přiděleného pásma. Jejich sdružování (Intra Band Contiguous Spectrum Aggregation) je díky tomu technicky relativně jednoduché. Při stávajícím přeplnění frekvenčního spektra je však obtížné takovéto segmenty spektra pro technologii CA zajistit. b) Nespojité sdružování CA Metody nespojitého sdružování, u nichž se sdružovaná pásma subnosných vln CC nenacházejí vedle sebe (Non-Contiguous Spectrum), jsou implementačně složitější. V praxi se však uplatní častěji, neboť umožňují pružné využití více volných užších segmentů spektra, které spolu nesousedí. Pokud však jsou dílčí sdružovaná pásma rozptýlena v širší frekvenční oblasti, je nutné vzít v úvahu výraznou frekvenční závislost útlumu rádiového kanálu i jeho dopplerovského posuvu. Jednoduchý management rádiových zdrojů se zde proto musí nahradit multidimenzionálním managementem. Dílčí oddělená sdružovaná pásma se mohou nacházet uvnitř jediného spojitého přiděleného pásma (Intra Band Non-Contiguous), nebo mohou být rozložena do více vzájemně oddělených pásem (Inter Band Non-Contiguous).
Koordinovaný mnohabodový přenos COMP (Coordinated Multi Point) BS3
centrální řízení vysílání tří základnových stanic BS1, BS2 a BS3 na trase DL, směrovaného ke dvěma různým mobilním stanicím MS1, MS2
BS1
MS1 BS2
MS2
V koordinovaném mnohabodovém přenosu COMP stanice MS1 komunikuje na trase DL jak se svou servisní stanicí BS1, tak také se stanicemi BS2 a BS3. Všechny tři základnové stanice musí být ovšem vzájemně propojeny širokopásmovými rádiovými spoji, nebo spoji metalickými resp. optickými, tak, aby jejich vysílání mohlo být koordinováno. Technika COMP může přinést uživatelům MS výrazné zvýšení průměrného poměru signálu k šumu SNR a tím i celkové zlepšení kvality přenosu, především zvětšení přenosové rychlosti a zmenšení chybovosti. Techniku přenosu COMP lze využít rovněž na trase DL, kdy mobilní stanice MS vysílá ke všem zúčastněným základnovým stanicím BS stejný signál. Dílčí přijímané signály se potom mohou slučovat např. technikou MRC, vedoucím k maximalizaci poměru SNR apod.
Různé aplikace radioreléových stanic v systému LTE-A uživatelské stanice MS, UE..
pokrytí na okraji buněk
ABS: Advanced Base Station ARS: Advanced Relay Station AMS: Advanced Mobile Station
makrobuňka LTE, WiMAX základnová stanice ABS pokrytí ve stínu budov
pokrytí ve stínu terénu
mobilní stanice AMS pokrytí ve femtobuňce reléová stanice ARS rozšíření pokrytí za hranicí buňky
pokrytí v izolovaných lokalitách pomoci více reléových skoků
V oblasti pokrývaném základnovou stanicí ABS se často vyskytují nepokryté lokality (vnitřky budov a jejich stíny, okraje buněk, dopravní tunely atd). Malý poměr SINR zde lze kompenzovat vybudováním přídavné základnové stanice ABS, která je však obvykle pro pokrytí relativně malého území příliš drahá. Cenově přijatelnějším řešením je aplikace transparentního zesilujícího RF opakovače (L1/OSI layer repeater). Nejvhodnějším řešením pak zde bývá použití reléové stanice ARS, schopné nejen zesilovat, ale i transkódovat a regenerovat přenášený uživatelský signál (L2/L3/OSI layers repeater). Další výhodou této stanice je i skutečnost, že jí postačuje propojení s nejbližší stanicí ABS a nevyžaduje tedy žádné fixní (backhaul) spoje s jádrem dané sítě, které jsou rovněž finančně náročné.
Adaptivní anténní vysílací systém AAS pro potlačení interferencí IRC cílová MS2 cílová MS3 cílová MS 1
interferující MS
Adaptivní vysílací anténní systém (AAS) může pomoci několika dílčích antén, vhodným nastavením amplitud a fází jejich napájecích signálů, tvarovat výsledný směrový diagram tak, aby vyzařování bylo soustředěno k cílovým mobilním stanicím MS; naopak, příjem od interferujících mobilních stanic může být vhodným kombinováním jejich přijímaných signálů potlačen. Tato opatření zlepšují poměr SINR
Různé metody zlepšení pokrytí v sítích LTE Okraje buněk a zastíněné oblasti (různé terénní překážky, vysoká výstavba, tunely ...) pracují se signály s malým poměrem SNR, což má za následek sníženou přenosovou rychlost, zvětšenou chybovost apod. Tomu lze odpomoci při stávajícím počtu základnových stanic např. aplikací systémů s více anténami SIMO, MISO s prostorovou diverzitou resp. s formováním svazků atd. Další zlepšení může přinést doplnění dosavadní sítě základnových stanic (eNB) novými rádioreléovými uly RN, domovskými uzly HeNB a dalšími lokálními bloky.
1,8 Mbit/s
zvýšená propustnost na okrajích buněk, vznikající díky zvýšení poměru SNR
běžný systém LTE s makrobuňkami, značně vylepšený systém LTE s na jejichž okrajích se v důsledku níz- anténní diverzitou a se směrováním svazků, buňkovou koncepcí SFR ap kého poměru SNR zhoršuje funkce
rozmístění nově přidaných radioreléových RN uzlů a dalších lokálních bloků
dosažitelná rychlost
14,2 Mbit/s
základnové stanice BS resp uzly eNB
dosažitelná rychlost
dosažitelná rychlost
velice snížená propustnost na okrajích buněk
dále zlepšený systém LTE s radioreléovými uzly RN, s pikobuňkami, uzly RRH ap.
Frekvenční pásma standardu LTE-A V tabulce jsou uvedena základní doporučená pracovní pásma standardu LTE-A, a to jednak pásma E-UTRA, jednak pásma IMT-A (podle specifikací ITU-R). Vzhledem k předpokládanému budoucímu velkému zájmu byly pro standard LTE-A později vyčleněny ještě následující rozsahy (které se ale s pásmy z tabulkky částečně překrývají): ● 450 – 470 MHz ● 698 – 862 MHz ● 790 – 862 MHz ● 2,3 – 2,4 GHz ● 3,4 – 4,2 GHz ● 4,4 – 4,99 GHz Pásma s nižšími frekvencemi jsou výhodná, neboť v nich rádiové signály mají menší útlum šíření (který je totiž zhruba přímo úměrný kvadrátu frekvence) a navíc snáze pronikají do zastíněných oblastí. Bohužel se v nich obtížně hledají širší frekvenční rozsahy, zatím neobsazené jinými službami. Některá z uvedených nižších pásem a rozsahů navíc zasahují do dosavadních evropských televizních pásem CCIR, na základě rozhodnutí národních standardizačních orgánů však mohou být postupně uvolňována pro standard LTE-A („digitální dividenda“).
Globální produkce emisí CO2 v letech 2007 až 2020, v systémech pozemní mobilní komunikace
V období let 2007 až 2020 se zvětší datový provoz mobilních sítí o cca 3 řády tj. 1000 krát, a to z 0,8 MilT bytů v roce 2007 na cca 500 MilTbytů v roce 2020. Přitom počet laptopů resp. netbooků naroste z 23 Mil na cca 500 Mil., avšak počet zákl. stanic se jen ztrojnásobí; kapacita těchto zařízení enormně vzroste Spotřeba elektrické energie se však díky razantnímu prosazování „zelených technologií“ nikterak radikálně nezvětší. Největší úspory se objeví u sítí RAN.
Copyright: G. Fettweiss et all, TU Dresden
Nejdůležitější odborné prameny [1] Dahlman, E. a kol.: 3G Evolution-HSPA and LTE for Mobile Broadband. Elsevier,
Amsterdam 2007. [2] Hjalmar, P. - Bohagen, F.: OFDM(A) for wireless communication. R&I Research Report, Telenor 7/2008. [3] Rysavy, P.: EDGE, HSPA and LTE Broaband Innovation. Rysavy Res., US 2007. [4] Žalud, V. akol.: Perspektivní systémy pozemní mobilní komunikace HSPA, LTE a WiMAX. Slaboproudý obzor, roč. 66, 2010 (soubor článků), v tisku [http://www.ieee.cz/slabobzor/]. [5] Parkvall, S. – Astely, D.: The Evolution of LTE towards IMT-Advanced. Ericsson Research, Stockholm, JOURNAL OF COMMUNICATIONS, No. 3, April 2009. [6] Dobeš, J. - Žalud, V.: Moderní radiotechnika. 1. vydání, BEN - vyd. technické literatury, Praha 2006. [7] Chen, H.- Guizani, M.: Next Generation Wireless Systems and Networks. J.Wiley&Sons, Inc. New York 2009. [8] Beming, P. a kol.: LTE - SAE architecture and performance. Ericsson Review No. 3, 2007. [9] Yang, Ho.: A Road to Future Broadband Wireless Access: MIMO-OFDM- Based Air Interface. IEEE Com. Magazine, January 2005, s. 53-60. [10] Pecen, M.: EDGE Evolution-Evolving 3rd Generation wireless data based on GSM technology. Black Berry 2006.
