cap9_LTE

COMUNICAȚII MOBILE ȘI PERSONALE

Universitatea POLITEHNICA din București, Facultatea de Electronică, Telecommunicații și Tehnologia

Informației Departamentul Telecomunicații

LTE

2

Evoluția 3G a 3GPP 3GPP a început să lucreze la un proiect numit Long Term Evolution, ca parte a Release 8;

LTE le permite operatorilor să atingă viteze de trafic mai ridicate, la frecvențe mai mari;

Lucrul la LTE a început în 2004, cu un grup de lucru demarat în 2006 și o specificație completă terminată în 2008. Instalarea experimentală inițială a fost propusă pentru 2009 (în Nordul Europei – Telia Sonera; în decursul Conferinței ICC de la Dresden, Germania, iunie 2009);

LTE ținteștesituațiile mai complexe dpdv al spectrului și are mai puține restricții în ceea ce privește compatibilitatea cu tehnologiile anterioare. Astfel, evoluția 3G este compusă din 2 părți independente, ambele aducându-și contribuția la evoluția dezvoltării tehnologiei radio de acces;

Pentru a suporta noile capabilități de pachetizare a datelor asigurate de interfețele radio LTE, a fost dezvoltată o nouă rețea core mai evoluată. Lucrul la rețeaua core mai este cunoscut și sub numele de SAE (Evoluția Arhitecturii Sistemului).

LTE

3

În mod normal, HSPA nu include toate tehnologiile gândite pentru LTE;

Un studiu în cadrul 3GPP a fost inițiat pentru a vedea cât de departe este posibil să se dezvolte HSPA în banda de frecvență curentă de 5 MHz și totuși să se mențină compatibilitatea cu tehnologiile anterioare;

În esență, scopul HSPA Evolution a fost și încă este, acela de a se apropia de caracteristicile LTE utilizând un spectru de 5 MHz și în același timp să mențină compatibilitatea inversă;

În decembrie 2005, plenul TSG RAN a decis ca accesul radio LTE să fie axat pe tehnologia OFDM pentru Downlink și FDMA cu purtătoare unică (SC-FDMA) pentru Uplink;

Evoluția 3G a 3GPP

LTE

4

Așadar, evoluția standardului 3GPP are 2 părți: LTE și HSPA Evolution;

Ambele părți au contribuțiile lor:

LTE poate opera în aranjamente spectrale mai noi și mai complexe (aceeași bandă ca și WCDMA și alte tehnologii 3G) cu posibilitatea unor noi design-uri care să nu trebuiască să fie compatibile cu terminale de generații mai vechi;

HSPA Evolution poate folosi ca bază echipamentele instalate pentru spectrul de 5 MHz, dar trebuie să respecte compatibilitatea cu terminalele de generație anterioară;

LTE utilizează tehnologia OFDM pentru downlink, care este potrivită să atingă viteze de trafic mari în benzi de frecvență largi. Tehnologia radio WCDMA este practic la fel de eficientă ca tehnologia OFDM în atingerea vitezelor mari de trafic, în gama de 10Mbps pentru o bandă de 5 MHz. Totuși, atingerea vitezelor mari în gama de 100 Mbps cu canale radio de lărgime mai mare, ar necesita o complexitate mai ridicată a terminalelor, ceea ce nu este practic cu tehnologia actuală;

Aici este locul unde OFDM asigură un avantaj de implementare practic. Folosind planificarea în domeniul frecvență, se poate minimiza de asemenea și interferența, sporind eficiența spectrală.

Evoluția 3G a 3GPP

LTE

5

Abordarea OFDM este de altfel foarte flexibilă în alocarea canalelor, iar LTE poate opera cu canale radio de lățimi diferite, de la 1,25 MHz până la 20 MHz;

Pe Uplink pe de altă parte, o abordare strict OFDMA, poate conduce la valori mari ale raportului putere de vârf-putere medie (PAR – Peak to Average Ratio) a semnalului, care poate compromite eficiența energetică și implicit autonomia bateriei;

Așadar LTE abordează situația prin tehnologia SC-FDMA, care este oarecum similară OFDMA, dar are un avantaj PAR între 2-6 dB față de metoda OFDMA utilizată de alte tehnologii, precum IEEE 802.16e;

Intenția generală este aceea de a asigura o tehnologie de acces radio extrem de performantă, care poate să ofere mobilitate vehiculară totală și care să poată coexista cu HSPA și rețelele precedente;

Datorită benzii de frecvență scalabile, operatorii vor putea să-și mute, gradual, cu ușurință rețelele și utilizatorii din HSPA în LTE.

Evoluția 3G a 3GPP

LTE

6

Utilizarea unui număr relativ mare de subpurtătoare de bandă îngustă;

Forma simplă, dreptunghiulară a impulsului; corespunde unui spectru de tip sinc pe fiecare subpurtătoare;

Principiile de bază OFDM

LTE

7

Plasarea compactă în domeniul timp-frecvență a subpurtătoarelor, cu un interval de gardă Δf =1/Tu

Tu - durata simbolului modulat a subpurtătoarei spațierea între subpurtătoare este egală cu rata de modulație 1/Tu .

Principiile de bază OFDM (2)

LTE

8


LTE

Semnalul de bază OFDM se notează în banda de bază astfel:

Xk(t) – cea de a k-a subpurtătoare modulată cu frecvența fk =kΔf;

ak(m) – simbol de modulație complex, aplicat subpurtătoarei de

ord. k, pe durata simbolului OFDM m; (mTu ≤ t < (m+1) Tu );

Transmisia OFDM este bazată pe blocuri;

Pe durata fiecărui interval de simbol OFDM, Nc simboluri de modulație (din orice schemă de modulație QPSK, 16QAM, 64QAM) sunt transmise simultan;

Nc poate varia de la câteva sute până la câteva mii (distanța dintre subpurtătoare variază de la câțiva KHz la câteva sute de KHz);

9

Modulația OFDM


LTE

10


LTE

OFDM (Multiplexare cu Divizare în Frecvență Ortogonală) – cele 2 subpurtătoare modulate OFDM x k1 și xk2 sunt ortogonale una față de cealaltă, în intervalul: mTu ≤ t ≤ (m+1) Tu’

Așadar, transmisia de bază OFDM poate fi vazută și ca o modulație a unui set ortogonal de funcții φk(t), unde:

11

Resursa fizică în cazul transmisiei OFDM este adesea ilustrată ca o grilă timp-frecvență, în care fiecare “coloană” corespunde unui simbol OFDM iar fiecare “linie” corespunde unei subpurtătoare OFDM.


LTE

12

Deși se poate utiliza un banc de modulatoare/corelatoare pentru a ilustra principiile de bază ale modulației/demodulației OFDM, acestea nu sunt tocmai cele mai potrivite structuri demodulatoare/demodulatoare pentru implementarea actuală;

Datorită structurii specifice și alegerii ca spațiere a subpurtătoarei Δf egală cu rata simbolului subpurătoarei 1/Tu , OFDM permite o implementare scăzută dpdv al complexității prin mijloace computaționale eficiente precum procesarea FFT (Fast Fourier Transform);

Implementare OFDM

LTE

13

Implementare OFDM (2)

LTE

Fie un semnal OFDM discret în timp (eșantionat);

Să presupunem că frecvența de eșantionare fs este un multiplu de Δf,

Parametrul N trebuie ales astfel încât teorema eșantionării să fie îndeplinită;

NcΔf poate fi văzut și ca lățimea benzii semnalului OFDM N

ar trebui să depășească Nc cu o marjă suficientă de siguranță;

Cu aceste presupuneri, semnalul OFDM discret în timp poate fi exprimat astfel:

14


LTE

Astfel, secvența xn , adică semnalul OFDM eșantionat, este TFD inversă de ord. N a setului de simboluri de modulație a0, a1, … , aNc-1 extinsă cu 0 până la lungimea N. Modulația OFDM poate fi astfel implementată prin mijloace de procesare FFT/IFFT, urmată de conversie digital-analogică;

15


LTE

•În caz particular, prin selectarea TFDI de ord. N egal cu 2m pentru

m - întreg, modulația OFDM poate fi implementată eficient prin utilizarea FFT radix-2; •Raportul N/Nc ce poate fi văzut și ca o supraeșantionare a semnalului OFDM discretizat, poate fi foarte bine și chiar este, un număr ne-întreg; •Exemplu pentru 3GPP LTE, numărul de subpurtătoare Nc este aproximativ 600 în cazul alocării unei benzi de 10 MHz; •Dimensiunea IFFT poate fi de ex. aleasă N=1024 , rezultând o frecvență de eșantionare Fs = NΔf = 15,36 MHz, unde Δf=15 KHz este ecartul între subpurtătoare;

16

Inserarea prefixului ciclic

LTE

Un semnal OFDM ideal poate fi demodulat fără vreo interferență între subpurtătoare. Un mod de a înțelege ortogonalitatea între subpurtătoare este să recunoaștem că o subpurtătoare modulată Xk(t) este compusă dintr-un număr intreg de perioade de exponențiale complexe pe durata intervalului de integrare Tu=1/Δf;

17

Inserarea prefixului ciclic (2)

LTE

În cazul unui canal dispersiv în timp, ortogonalitatea între subpurtătoare va fi, cel puțin parțial, pierdută;

Motivul pentru această pierdere de ortogonalitate în cazul unui canal cu dispersie în timp este aceea că intervalul de corelație al demodulatorului pentru una din căi se va suprapune peste marginea simbolului celeilalte căi.

Intervalul de integrare nu va corespunde neapărat cu un număr întreg de perioade de exponențiale complexe a acelei căi, din moment ce simbolurile de modulație ak pot să difere între intervale de simbol consecutive;

Ca o consecință, în cazul unui canal cu dispersie în timp, nu doar că va fi interferență inter simbol în cadrul subpurtătoarei, dar și interferență între subpurtătoare;

18

Trebuie ținut cont că dispersia în timp pe canalul radio este echivalentă cu răspunsul în frecvență al unui canal selectiv în frecvență;

Ortogonalitatea dintre subpurtătoarele OFDM este de asemenea datorată structurii specifice în frecvență a fiecărei subpurtătoare;

Chiar dacă variația canalului în domeniul frecvență este constantă în raport cu lățimea de bandă corespunzătoare lobului principal al unei subpurtătoare OFDM și doar lobii secundari ai subpurtătoarei sunt afectați datorită selectivității în frecvență a canalului radio, ortogonalitatea dintre subpurtătoare se va pierde, rezultând astfel interferență inter-subpurtătoare;

Datorită dimensiunilor relativ mari ale lobilor periferici corespunzători fiecărei subpurtătoare OFDM, deja o cantitate relativ limitată de dispersie în timp sau, echivalent, o selectivitate în frecvență relativ mică a canalului radio poate cauza o interferență substanțială între subpurtătoare;


LTE

19

Pentru a combate acest neajuns și pentru a face un semnal OFDM cu adevărat imun la dispersia temporală pe canalul radio, este utilizată o așa-zisă inserție de prefix ciclic;

Inserție unui prefix ciclic implică ca ultima parte a simbolului OFDM să fie copiată și introdusă la începutul respectivului simbol;

Inserția prefixului ciclic astfel duce la creșterea cadrului OFDM de la Tu la Tu+Tcp , unde Tcp reprezintă lungimea prefixului ciclic o reducere corespunzătoare a ratei

simbolului OFDM;


LTE

20

Dacă la recepție corelația este efectuată numai pentru anumit interval de timp Tu = 1/Δf , ortogonalitatea subpurtătoarei va fi păstrată chiar și în cazul unui canal dispersiv în timp, atâta timp cât valoarea dispersiei în timp este mai mică decât lungimea prefixului ciclic;


LTE

21

În practică, inserția prefixului ciclic este efectuată după ieșirea IFFT din emițător. Astfel, ultimele eșantioane NCP ale blocului de lungime N de la ieșirea emițătorului sunt copiate și inserate la începutul blocului, ducând la creșterea lungimii blocului de la N la N+NCP;

La recepție, eșantioanele respective sunt aruncate înainte ca demodularea OFDM să aibă loc, ca de ex. procesarea DFT/FFT.

Inserția prefixului ciclic este benefică în sensul că poate face un semnal OFDM imun la dispersia în timp, atât timp cât lungimea acestui interval nu este mai mare decât lungimea prefixului ciclic;

Dezavantajul acestei metode este acela că doar o mică parte Tu /(Tu +Tcp) din puterea semnalului recepționat este și utilizată la demodularea OFDM, implicând și o pierdere de putere corespunzătoare în demodularea propriu-zisă;

În plus față de această pierdere de putere, inserția ciclică de prefix implică de asemenea o pierdere corespunzătoare de lățime de bandă, deoarece rata simbolului OFDM se reduce, fără o micșorare corespunzătoare a benzii semnalului.


LTE

22

Modelul Transmisiei OFDM în domeniul Frecvență

LTE

Presupunând că avem un prefix ciclic suficient de mare, atunci convoluția liniară a unui canal radio cu dispersie în timp va apărea ca o convoluție circulară pe durata demodulării intervalului de integrare Tu ;

Combinația de modulație OFDM (procesare IFFT), canal radio cu dispersie în timp și o demodulare OFDM (procesare FFT) poate fi văzută ca un canal în domeniul frecvență, unde coeficienții canalului în domeniul frecvență H0 ,.., HNC1 pot fi deriva direct din răspunsul canalului la impuls;

Ieșirea demodulatorului bk este simbolul modulat transmis ak scalat și rotit în fază de coeficientul complex al canalului în domeniul frecvență Hk și afectat de zgomot nk ;

Pentru a recupera în mod corespunzător simbolul transmis pentru procesările ulterioare, de ex. demodularea datelor și decodarea canalului, receptorul ar trebui să înmulțească bk cu complex conjugatul lui Hk ;

Aceasta este adesea exprimată ca o egalizare (one-tap equalizer) aplicată fiecărei subpurtătoare recepționate;

23

Modelul Transmisiei OFDM în domeniul Frecvență (2)

LTE

24

Modelul Transmisiei OFDM în domeniul Frecvență (3)

LTE

Modelul OFDM în domeniul frecvență a transmisiilor/recepțiilor cu “egalizare” la recepție:

25

Estimarea canalului și simbolurile de referință

LTE

Receptorul necesită un estimat al întârzierii canalului în domeniul frecvență;

Acesta poate fi estimat indirect, mai întâi estimând răspunsul la impuls al canalului, și de acolo, să fie calculat un estimat al lui Hk;

O abordare mai directă estimarea întârzierii canalului direct în domeniul frecvență realizată prin inserarea unor simboluri de referință cunoscute

(simboluri pilot), la intervale regulate in grila timp-frecvență OFDM;

26

Estimarea canalului și simbolurile de referință (2)

LTE

Utilizând cunoștințele despre simbolurile de referință, receptorul poate să estimeze canalul în domeniul frecvență, în regiunea din jurul acestui simbol;

Simbolurile de referință ar trebui să aibă o densitate suficient de ridicată în ambele domenii (timp și frecvență), pentru a putea asigura estimări pentru întreaga grilă timp-frecvență în cazul canalelor radio supuse unei selectivități ridicate în timp sau în frecvență;

Diferiți algoritmi, mai mult sau mai puțin avansați pot fi utilizați pentru estimarea canalului;

Simpla mediere în combinație cu interpolarea liniară;

Estimarea erorii medii pătratice minime (MMSE) depinde de

cunoștințele mai detaliate ale caracteristicilor canalului în domeniul timp-frecvență;

Mobile Communications Systems – Year 1 AWT - Prof. Octavian Fratu 27

OFDM ca schemă de acces multiplu

LTE

În discuțiile derulate până acum, s-a presupus că toate subpurtătoarele OFDM sunt transmise de la același emițător către un anumit receptor:

Transmisie Downlink a tuturor subpurtătoarelor către 1 terminal;

Transmisie Uplink a tuturor subpurtătoarelor către 1 terminal;

OFDM poate fi folosit și ca schemă de multiplexare sau de acces multiplu transmisii simultane pe frecvențe separate de la/către

diferite terminale;



LTE

În Downlink, OFDM ca schemă de multiplexare în fiecare interval

de simbol OFDM, diferite subseturi de subpurtătoare disponibile sunt utilizate pentru transmisii către terminale diferite;

În Uplink, OFDM ca schemă de multiplexare sau acces multiplu în

fiecare interval de simbol OFDM, subseturi diferite de subpurtătoare sunt utilizate pentru transmisii de date de la terminale diferite termenul OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access)

este folosit deseori;

29


LTE

Distribuirea subpurtătoarelor de la/către un terminal în domeniul frecvență este iarăși posibilă;

Beneficiile acestor multiplexări distribuite sau a accesului multiplu distribuit constă în posibilitatea obținerii unei diversități în frecvență suplimentare, din moment ce fiecare transmisie este împrăștiată pe o bandă mai largă;

30

Transimii de Bandă Largă cu Purtătoare Unică

LTE

Dezavantajul modulației OFDM (orice fel de transmisie multi-purtătoare) constă în variațiile mari ale puterii instantanee ale semnalului transmis;

Asemenea variații de putere implică o eficiență scăzută a amplificării de putere și un cost mai ridicat al amplificatorului;

Acest aspect este critic pentru uplink, datorită importanței ridicate a menținerii consumului și costurilor cât mai scăzute a terminalelor mobile;

Câteva metode au fost propuse pentru reducerea variațiilor mari de putere a semnalelor OFDM. Majoritatea prezintă limitări în privința gradului până la care aceste variații pot fi reduse. De asemenea, multe implică și o complexitate de calcul ridicată și/sau performanță scăzută a legăturii;

Există interesul și pentru transmisiile de bandă largă cu purtătoare unică ca o alternativă a transmisiilor multi-purtătoare, în special pentru Uplink;

Este necesar să se ia în calcul ce se poate face pentru a combate alterarea semnalului, ce se produce în majoritatea SCM, datorită selectivității în frecvență a canalului radio;

31

Transmisii de Bandă Largă cu Purtătoare Unică

LTE

Principala metodă de combatere a semnalelor eronate datorate selectivității canalului radio în frecvență aplicarea

diferitelor forme de egalizări la recepție;

Scopul egalizării: compensarea selectivității canalului, prin diferite metode și astfel redarea formei originale a semnalului; Egalizarea în domeniul timp: filtru liniar cu răspuns la impuls aplicat

semnalului recepționat ; Funcția pondere poate fi aleasă a.î. să îndeplinească diferite relații

Complexitatea crește relativ rapid cu banda semnallui de egalizat

Egalizare în domeniul frecvență: egalizarea are loc în frecvență în blocul de date, pentru fiecare bloc de dim N; FFT dim N + filtrare în frecvență + IFFT dim N

Complexitatea mai redusă decât egalizarea în domeniul timp

Inserare prefix ciclic pentru complexitate de calcul mai redusă

Alte strategii de egalizare; Decision-Feedback Equalization

Detecție de maximă plauzibilitate (Maximum-Likelihood – ML)

32


LTE

Rate mari de transmisii a pachetelor de date ar trebui să fie posibil să se

aloce întreaga bandă a semnalului pentru transmisia de la un singur terminal;

Caracteristica serviciilor de date de tip „în rafale” (bursty) în multe cazuri,

terminalele nu vor avea ce date să transmită pe Uplink;

Pentru un acces cât mai eficient, o componentă TDMA ar trebui să fie mereu parte a schemei de acces multiplu pentru Uplink;

Bazându-ne doar pe TDMA pentru a asigura ortogonalitatea între transmisiile de Uplink într-o celulă, ar putea să fie ineficient din punct de vedere spectral, în special în cazul unui sistem de bandă foarte largă;

Alocarea întregii benzi a sistemului unui singur terminal utilizare total

ineficientă a benzii;

Exemplu: alocând o bandă de 20 MHz pentru o transmisie unui terminal mobil într-un scenariu unde viteza datelor pe Uplink este oricum limitată la câteva sute de Kbit/s (datorită limitărilor de putere a terminalului mobil)

utilizare ineficientă a benzii totale disponibile.

33


LTE

În asemenea cazuri, o bandă de transmisiune mai mică ar trebui să fie alocată terminalului iar restul benzii rămase ar trebui utilizat pentru fluxul de date pe Uplink de la alte terminale;

În plus față de TDMA, o schemă de transmisie pe uplink ar fi de preferat să permită multiplexarea ortogonală a utilizatorilor în domeniul frecvență;

În același timp, ar trebui să fie posibilă alocarea întregii benzi de transmisie unui singur terminal atunci când condițiile canalului sunt de așa natură încât să permită utilizarea eficientă (atunci când ratele de date realizabile nu sunt limitate în putere);

O schemă ortogonală de transmisie pe Uplink ar trebui să permită o alocare flexibilă pentru FDMA realizabilă de atins cu OFDM prin

alocarea dinamică a unui număr diferit de subpurtătoare către diferite terminale, în funcție de condițiile instantanee ale canalului;

34


LTE

OFDM împrăștiat prin DFT (DFT-Spread OFDM - DFTS-OFDM) este un sistem de transmisiune care poate combina proprietățile dorite discutate anterior :

Variații reduse ale puterii instantanee a semnalului transmis (proprietate de „purtătoare unică").

Posibilitatea de egalizare de inalta calitate in domeniul de frecventa cu complexitate de calcul redusă

Posibilitatea de FDMA cu alocare flexibilă a benzii.

Datorita acestor proprietati, DFTS-OFDM este utilizat pentru transmisia de date pe legatura uplink in LTE (cunoscut si sub numele SC-FDMA).

O modalitate de a interpreta DFTS-OFDM este ca OFDM obișnuit cu o pre-codare bazata pe Transformata Fourier Discretă (DFT).

Blocul de M simboluri de modulatie este aplicat mai întâi unui bloc DFT de dim M. Iesirea DFT este apoi aplicata la intrarile consecutive (subpurtătoare) ale unui modulator OFDM care, in practica, este implementat ca o DFT inversă (IDFT) de dim N cu N> M, iar intrarile neutilizate din IDFT sunt zero

35

OFDM împrăștiat prin DFT

LTE

36

DFTS OFDM

LTE

Principalul beneficiu al DFTS-OFDM, in comparatie cu OFDM normal, sunt variatiile reduse in puterea de transmisie instantanee, implicand posibilitatea de crestere a eficientei de putere in amplificator.

Distributia raportului Peak-to-Average-power Ratio (PAPR) pentru DFTS-OFDM si OFDM conventional este reprezentată.

PAPR este definita ca fiind puterea maxima intr-un bloc DFT (un simbol OFDM) raportată la puterea medie a semnalului

Distributia PAPR poate fi folosita pentru a ilustra calitativ diferenta variatiilor de putere dintre diferitele scheme de transmisie.

37

DFTS OFDM

LTE

38

DFTS OFDM

LTE

39

Schema de transmisie bazata pe OFDM conventional pentru downlink:

sistem de transmisiune atractiv din mai multe motive.

Perioadă de simbol OFDM relativ lungă in combinatie cu un prefix ciclic

grad ridicat de robustete impotriva selectivitatii în frecventă a canalului.

ofera acces la domeniul de frecventa, permitand astfel un grad suplimentar de libertate pentru planificatorul dependent de canal, comparativ cu planificarea doar în domeniul timp utilizata in majoritatea sistemelor 3G.

Latime de banda de transmisiune flexibilă pentru a sprijini functionarea in alocari de spectru radio de dimensiuni diferite.

Latime de banda scalabila pana la 20 MHz, care acopera 1,4, 3, 5, 10, 15, si 20 MHz. Canale care sunt de 1,6 MHz largime au fost avute in vedere pentru benzi de frecventa nepereche, in cazul in care se utilizata o abordare TDD.

DFT-spread OFDM pe uplink

separarea ortogonala a transmisiilor pe legatura de uplink, de asemenea, in domeniul de frecventa

permite atat divizare in timp (TDMA) cat si diviziune in frecventa (FDMA) intre utilizatori

Principiile de baza pentru LTE

LTE

40

Planificarea dependenta de canal si adaptarea ratei utilizarea de transmisiei pe canal partajat cu resursa totala de timp-

frecventa partajată dinamic intre utilizatori

bine adaptate la cerintele de variatie rapida a resurselor puse de comunicația cu pachete de date

Planificatorul controlează, pentru fiecare instanta de timp, către care utilizatori ar trebui sa se aloce diferite parti ale resursei partajate.

Transmisiile pe downlink si pe uplink sunt supuse unei planificări stranse în LTE

Datorita utilizarii OFDM atât pe downlink cât si pe uplink, planificatorul are acces atat la domeniul timp cat si la domeniul frecventa

Planificatorul poate, pentru fiecare instanță de timp si regiune de frecventa, sa selecteze utilizatorul cu cele mai bune conditii pe canal.

deosebit de utila la viteze reduse a terminalelor - atunci cand canalul variaza lent in timp.

Deciziile de planificare pot fi luate la fiecare 1 ms si granularitatea in domeniul de frecventa este de 180 kHz

permite urmărirea și folosirea variatiilor relativ rapide ale canalului, atat in timp cat si in domeniul frecventa de catre planificator.


LTE

41


LTE

42

Planificarea dependenta de canal si adaptarea ratei terminalul poate furniza retelei rapoarte de stare a canalului, indicand calitatea

instantanee a canalului pe downlink atat in timp cat si în frecventa.

Starea canalului este de obicei obtinuta prin masurarea unor semnale de referinta transmise pe downlink

Rapoartele de stare a canalului, sunt denumite și informatiile de stare a canalului (channel-state information - CSI)

Pe baza valorii CSI, planificatorul pe DL poate aloca resurse pentru transmisia pe downlink către diferite terminale, luand în considerație calitatea canalului in decizia de planificare

in principiu, unui terminal planificat i se poate atribui o combinatie arbitrară de blocuri de resurse largi de 180 kHz in fiecare interval de planificare de 1 ms

Uplink: Deciziile de planificare, luate o data pe 1 ms, controleaza ce set de terminale au permisiunea de a transmite intr-o celula într-un interval de timp dat si, pentru fiecare terminal, pe ce resurse de frecventa va avea loc transmisia si ce parametri de transmisie, inclusiv rata de date se vor utiliza.


LTE

43

Coordonarea interferentei dintre celule (ICIC)

LTE este proiectat sa functioneze cu un factor de reutilizare unitar al frecvenței in celula (FR1) aceleași resurse timp-frecvență pot fi folosite in celule vecine.

in particular, canalele de control principale sunt proiectate sa functioneze in mod adecvat, chiar și cu SINR relativ scazut, care poate fi experimentat într-un aranjament de tip FR1

Avand acces la intregul spectru disponibil in fiecare celula și operând cu un factor de reutilizare unitar este intotdeauna benefic, dar poate duce, de asemenea, la variatii relativ mari ale SINR, și de asemenea, ale ratelor de date realizabile, in cadrul celulei potential doar rate de date relativ scazute la marginea celulei

Performanta sistemului, in special calitatea experimentată la marginea celulei, poate fi îmbunătățită permitand o anumita coordonare a planificării între celulele

Scopul de baza pentru ICIC este, daca este posibil, de a se evita planificarea transmisiilor la/de la terminalele de la marginea celulei simultan in celule vecine evitarea situatiilor de interferenta cele mai nefavorabile.

Pentru a sprijini ICIC, mai multe mesaje pot fi comunicate intre nodurile eNodeB folosind interfata X2 furnizeaza informatii despre situatia interferentei si/sau strategiile de planificare ale eNodeB care emite mesajul poate fi utilizat de

catre un eNodeB care primește mesajul ca intrare pentru procesul de planificare.


LTE

44

Alte caracteristici

ARQ hibrid cu combinare soft

La fel ca în HSPA

Transmisiuni multi-antenă

Suport inclus deja in prima varianta LTE, ca parte integranta a specificatiilor interfetei radio

Tehnologia cheie pentru a atinge multe din obiectivele de performanta agresive ale LTE

Flexibilitate spectrala

Permite implementarea accesului radio LTE in benzi de frecvente diferite, aranjamente duplex diferite, dimensiuni diferite ale benzilor spectrale.

Atat spectru pereche cat si nepereche (FDD, TDD)

Suportate chiar și inainte de LTE, dar cu efort si complexitate suplimentare

LTE suporta FDD / TDD intr-o singura tehnologie de acces radio prezentarea

accesului radio LTE valabil atat pentru FDD si TDD

Latime de banda flexibila: Specificatiile LTE nu țin cont de latimea de banda - permite orice BW de la 1 MHz pana la 20 MHz, dar cerințele RF sunt specificate pentru un subset limitat


LTE

45

Capabilitățile terminalului Principiile de baza pentru LTE

LTE

46

Arhitectura generala a sistemului atat a retelei de acces radio (RAN) cat si a nucleului rețelei (CN) a fost revizuita, inclusiv divizarea functionalitatii intre cele doua parti de retea

Lucrul a fost cunoscut sub numele de Arhitectura Evolution System (SAE), si a dus la o arhitectura plată a RAN, precum si la o noua arhitectura a CN denumită Evolved Packet Core (EPC)

impreuna, rețeaua RAN LTE si EPC au fost denumite Evolved Packet System (EPS)

RAN este responsabilă de toate functionalitatile radio al retelei globale:

Planificarea,

Gestionarea resurselor radio,

Protocoale de retransmisie,

codare

diverse scheme multi-antenă

Arhitectura interfetei radio LTE

LTE

47

EPC este responsabil pentru functiile care nu sunt legate de interfata radio, dar necesare pentru a furniza o retea completa de Internet mobil in banda larga.

autentificare,

taxare,

Inițializarea conexiunilor de la un capăt la altul end-to-end.

Gestionarea acestor functii separat in loc de integrarea lor in RAN este benefică deoarece permite ca mai multe tehnologii de tip acces radio sa fie deservite de aceeasi retea core

O scurta prezentare a EPC, precum si modul in care aceasta se conecteaza la RAN, este utilă

EPC este o evolutie radicala de la reteaua core GSM / GPRS folosita in GSM si WCDMA / HSPA.

Suportă accesul doar la domeniul cu comutație de pachete, fara acces la domeniul cu comutație de circuite.


LTE

48

Entitatea de Management al Mbilității (Mobility Management Entity - MME) este nodul din planul de control al EPC. alocare / dealocare a serviciilor suport radio pentru

un terminal

Gestionarea tranzitiilor de la starea IDLE la ACTIVE

Gestionarea cheilor de securitate

Poarta de acces de deservire (S-GW) este nodul din planul utilizator ce conectează EPC la RAN LTE actioneaza ca o ancora de mobilitate, atunci cand

terminalele se deplaseaza intre noduri eNodeB

Ancora de mobilitate pentru alte tehnoologii 3GPP (GSM/GPRS and HSPA)

Colectează informatii si statistici necesare pentru taxare.

Packet Data Network Gateway (PDN Gateway, P-GW) conecteaza EPC la Internet


LTE

49

PDN Gateway Alocarea adresei IP pentru un terminal anume

QoS in conformitate cu politica controlata de PCRF.

Ancora de mobilitate pentru tehnologii de acces radio non-3GPP precum CDMA2000.

EPC contine si alte tipuri de noduri Policy and Charging Rules Function (PCRF)

Responsabil pentru manevrarea si taxarea (QoS)

Home Subscriber Service (HSS) baza de date care contine informatii referitoare la abonati

Unele noduri suplimentare prezente pentru sprijinul Multimedia Broadcast Multicast Services (MBMS)

nodurile discutate mai sus sunt noduri logice

ME, P-GW, and S-GW ar putea fi foarte bine combinate intr-un singur nod fizic


LTE

50


LTE

51

LTE RAN: Arhitectura plata cu un singur tip de nod– nodul eNodeB

eNodeB este responsabil pentru toate functiile radio in una sau mai multe celule

eNodeB este un nod logic si nu o implementare fizică.

Implementare tipică: un site cu trei sectoare, unde o statie de baza gestioneaza transmisii in trei celule

alte implementari: o unitate de procesare în banda de baza la care sunt conectate un numar de remote radio heads.

statia de baza este o posibila implementare, dar nu același lucru ca un nod eNodeB

eNodeB este conectat la EPC prin intermediul interfetei S1: la S-GW prin partea S1 de plan utilizator (S1u) si la MME prin partea S1 de plan de control (S1-c)

Interfața X2: utilizată in principal pentru a sprijini mobilitatea în modul ACTIVE


LTE

52

Arhitectura protcolului radio

LTE



LTE

54

multe dintre entitatile de protocol sunt comune pentru planurile de utilizator si de control

Arhitectura protocoalelor este descrisa din perspectiva planului utilizator, dar in multe cazuri se aplica și la planul de control.

LTE RAN ofera unul sau mai multe Radio Bearers cu care pachetele IP sunt puse în corespondență in functie de cerintele QoS.

Structura protocoalelor LTE legata de transmisiile pe UL este similara cu structura DL


LTE

55

Protocolul de convergență a pachetelor de date (PDCP) compresie/de-compresie a antetului IP reduce nr. de biti de transmis pe

interfata radio.

Mecanismul de compresie a header-ului se bazeaza pe Robust Header Compression (ROHC)

Cifrare/decifrare

protectia integritatii datelor transmise (pentru planul de control).

Livrarea în ordine a datelor si indepartarea duplicatelor în cazul transferului.

o entitate PDCP per purtatoare radio configurata pentru un terminal

Controlul legăturii radio (RLC) Segmentare/concatenare,

Gestionarea retransmisiilor,

Detecteaza duplicate

Livrarea în ordine a datelor pentru nivelele de mai sus.

Ofera servicii pentru PDCP sub forma de servicii suport radio (radio bearers)

O entitate RLC per radio bearer configurata pentru un terminal


LTE

56

Controlul accesului la mediu (MAC) Multiplexarea canalelor logice,

Retransmisi ARQ hibrid.

Planificare pe uplink si downlink.

Funcționalitatea de planificare e situată in eNodeB pentru uplink si downlink

Partea de protocol ARQ hibrid este prezenta atat in capătul de transmisie cat si în cel de recepție ale protocolului MAC.

Ofera servicii pentru RLC sub forma de canale logice.

Nivelul fizic (PHY) Codare/decodare,

Modulare/demodulare,

Punere în corespondență cu antenele.

alte functii tipice nivelului fizic

Ofera servicii pentru nivelul MAC sub forma de canale de transport.


LTE

57


LTE

58

MAC ofera servicii catre RLC sub forma de canale logice.

Un canal logic este definit de tipul de informatii pe care le transporta.

In general este clasificat ca si:

Canal de control, folosit pentru transmiterea informațiilor de control si configurare necesare pentru functionarea unui sistem LTE

Canal de trafic, folosit pentru date utilizator

De la nivelul fizic, nivelul MAC utilizeaza serviciile sub forma de canale de transport.

Un canal de transport este definit prin cum si cu ce caracteristici este transmisa informatia prin interfata radio.

Datele privind un canal de transport sunt organizate in blocuri de transport

In fiecare Transmission Time Interval (TTI), cel mult un bloc de transport este transmis prin interfata radio catre/de la un terminal.

Pot fi pana la doua blocuri de transport per TTI în cazul MIMO

Canale logice si de transport LTE

59

Broadcast Control Channel (BCCH), transmiterea informatiilor de sistem din retea la toate terminalele dintr-o celula

Înainte sa acceseze sistemul, un terminal are nevoie sa obtina informatiile de sistem pentru a afla modul in care sistemul este configurat si, in general, cum sa se comporte in mod corespunzator intr-o celula.

Paging Control Channel (PCCH), Apelarea (paging) terminalelor a caror locatie la nivel de celula nu este

cunoscut in retea.

Prin urmare, mesajul de paging trebuie sa fie transmis in mai multe celule.

Common Control Channel (CCCH), transmiterea informatiilor de control in legatura cu acces aleator

Dedicated Control Channel (DCCH), Transmiterea de informatii de conrol catre/de la terminal.

utilizat pentru configurarea individuala a terminalelor, cum ar fi diferite mesaje de transfer

Canalele logice

LTE

60

Multicast Control Channel (MCCH), folosit pentru transmiterea de informatii de control necesare pentru primirea

MTCH (vezi mai jos).

Dedicated Traffic Channel (DTCH), transmiterea de date de utilizator la/de la un terminal.

Tipul de canal logic utilizat pentru transmiterea tuturor datelor de utilizator pe uplink si downlink (non-MBSFN).

Multicast Traffic Channel (MTCH), utilizat pentru transmisia pe legatura downlink de servicii MBMS.

Canalele logice

LTE

61

Broadcast Channel (BCH)

format fix de transport, furnizat de catre specificaţii

Folosit pentru transmiterea de parţi ale informațiilor de sistem BCCH, mai precis, aşa numitul Master Information Block (MIB).

Paging Channel (PCH)

Transmiterea de informatii de paging de la canalul logic PCCH.

sprijina receptia discontinua (DRX) care permite terminalului sa salveze energia bateriei prin trezirea pentru recepţie a PCH doar la momente de timp predefinite.

Downlink Shared Channel (DL-SCH)

Canal de transport principal folosit pentru transmisia de date pe downlink in LTE.

Sprijina caracteristici cheie LTE cum ar fi adaptarea dinamica a ratei, planificare dependenta de canal, ARQ hibrid cu combinare soft, etc.

Folosit de asemenea in transmisia de parţi ale informaţiilor de sistem BCCH care nu sunt mapate BCH.

intr-o celula pot fi mai multe canale DL-SCH, cate unul per terminal planificat in intervalul TTI curent şi, in unele subcadre, un canal DL-SCH care transporta informaţii de sistem.

Canale de transport

LTE

62

Multicast Channel (MCH) Folosit pentru a suporta MBMS.

Format de transport semi-static si planificare semi-statica.

In cazul transmisiei multi-celulă folosind MBSFN, configuratia de planificare si de format al transportului este coordonata intre punctele de transmisiune implicate in transmisia de tip MBSFN.

Uplink Shared Channel (UL-SCH) Omologul pe uplink al DL-SCH

Canal de transport pe uplink folosit pentru transmisia de date uplink.

in plus, canalul Random-Access Channel (RACH) este de asemenea definit ca un canal de transport, deşi nu trasporta blocuri de date.

Parte a funcţionalităţii MAC-ului este de a multiplexa diferitele cainale logice şi punerea în corespondență a canalelor logice cu canalele de transport adecvate

Canale de transport

LTE

63

Canale fizice

LTE

Un canal fizic corespunde setului de resurse timp-frecventa utilizat pentru transmiterea unui anumit canal de transport.

fiecare canal de transport este pus în corespondență cu un canal fizic corespunzător.

Pe langa canalele fizice cu un canal de transport corespunzator, exista, de asemenea, canale fizice, fara un canal de transport corespunzator.

Aceste canale, cunoscute ca şi canale de control L1/L2, sunt folosite pentru: downlink control information (DCI) furnizeaza terminalului informaţiile

necesare pentru recepţia corecta şi decodarea transmisiilor de date downlink,

uplink control information (UCI) furnizeaza planificatorului şi protocolului

hybrid-ARQ informaţii despre situaţia existenta la terminal

64

Canale fizice

LTE

Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) Principalul canal fizic folosit pentru transmiterea datelor unicast , dar si

pentru transmiterea de informatii de paging.

Physical Broadcast Channel (PBCH) Contine parte a informatiilor de sistem, solicitate de catre terminal in scopul

de a accesa reteaua.

Physical Multicast Channel (PMCH) Folosit pentru operatiile MBSFN.

Physical Downlink Control Channel (PDCCH) Folosit pentru a transmite informatiile de control pe downlink (DCI), in

principal pentru deciziile de planificare, necesare pentru receptia PDSCH, si pentru alocările de planificare ce permit transmisia pe canalul PUSCH.

Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel (PHICH) Transporta confirmările hybrid-ARQ pentru a indica terminalului daca

informatia trebuie retransmisa sau nu.

65

Canale fizice

LTE

Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) canalul care furnizeaza informatia necesara decodarii setului de canale

PDCCH catre terminale.

Un singur PCFICH per purtatoare.

Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) Omologul uplink al PDSCH.

Un PUSCH per purtator uplink per terminal.

Physical Uplink Control Channel (PUCCH) Utilizat de catre terminal pentru a trimite confirmări hybrid-ARQ, indicand

eNodeB daca blocurile de transport pe downlink au fost primite cu succes sau nu,

Trimite rapoarte de stare a canalului care sa ajute la planificarea dependenta de canal in downlink,

Pentru solicitarea resurselor pe care să se transmită date de uplink.

Exista cel mult un PUCCH per terminal

66

Corespondența canalelor pe DL

LTE

67

Corespondența canalelor pe UL

LTE

68

Planificare

LTE

Planificator Parte a protocolului MAC

Controlează alocarea resurselor UL și DL în termeni de așa-numitelor perechi de blocuri de resurse

Blocurile de resurse corespund unor unități de timp-frecvență de 1 ms x 180 kHz

Operațiunea de bază a planificatorului – așa numita planificare dinamica

eNodeB în fiecare interval de 1 ms: ia o decizie de planificare

trimite informația planificării la setul de terminale selectat

de asemenea posibilitatea de planificare semi persistentă – modelul de planificare semi-static este semnalat în avans pentru a reduce overhead-ul semnalizărilor de control.

Coordonarea deciziilor planificării între celule multiple ce rezidă în diferite noduri eNodeB este suportată folosind semnalizarea peste interfata x2.

69

Planificare

LTE

70

Planificare

LTE

Planificarea UL și DL separata in LTE, deciziile de planificare pot fi luate independent una de cealalta

Planificatorul DL responsabil pentru A controla (dinamic) către care terminale sa transmita

Pentru fiecare din aceste terminale, setul de blocuri resurse pe baza caruia SCH-DL al terminalului ar trebui transmis.

Selectarea formatului de transport (selectarea dimensiunii blocului de transport, schema de modulație, si punerea în corespondență cu antene) si multiplexarea canalelor logice pentru transmisii DL sunt controlate de eNodeB.

Ca o consecinta a planificatorului controland rata de date, segmentarea RLC si multiplexarea MAC vor fi de asemenea afectate de decizia de planificare.

71

Planificare

LTE

Planficatorul UL serveste unui scop similar, sa controleze (dinamic) ce terminale să transmisită pe canalull UL-SCH

respectiv

pe care resurse de frecventa-timp a legaturii ascendente

Desi planificatorul eNodeB determina formatul de transport pentru terminal, este important de menționat ca decizia de planificare UL este luata per terminal si nu per radio bearer.

Astfel, desi planificatorul eNodeB controleaza sarcina utila (payload) a unui terminal planificat, terminalul este inca responsabil de a selecta de la care radio bearer sunt luate datele.

Terminalul gestionează in mod autonom multiplexarea canalelor logice potrivit regulilor, ale căror parametri pot fi configurate de eNodeB

72

Planificare

LTE

Planificarea dependenta de canalul DL este suportata prin rapoarte de stare a canalului Transmise de UE

Reflecta calitatea instantanee a canalului in domeniile timp si frecvență

Informatie necesara sa determine procesarea corespunzătoare la antenă in cazul multiplexarii spatiale.

In UL, informațiile de stare a canalului necesare pentru planificarea dependentă de canal pe UL poate fi bazata un semnal de sondare de referinta (Sounding reference signal – SRS) transmis de la fiecare terminal pentru care eNodeB vrea sa estimeze calitatea canalului pe uplink.

Pentru a ajuta planificatorul UL in deciziile sale, terminalul poate transmite informatie despre starea buffer-elor către eNodeB folosind un mesaj MAC.

73

Resurse fizice

LTE

OFDM - schema de transmisie de baza atat pentru DL cat si pentru UL in LTE

In UL, precodarea DFT este aplicata inaintea modularii OFDM –DFTS-OFDM, sau SC-FDMA.

Ar trebui notat ca DFTS-OFDM este aplicat numai transmisiei de date pe uplink (pentru transmisia canalului de transport UL-SCH).

Pentru alte transmisii uplink, cum ar fi transmisia semnalizărilor de control L1/L2 si ale diferitelor tipuri de semnale de referinta, alte mijloace sunt luate pentru a limita metrica cubica a semnalului transmis.

Spatierea între subpurtătoarele OFDM în LTE este egală cu 15 kHz atat pentru downlink, cat si pentru uplink.

74

Resurse fizice

LTE

Cum s-a discutat inainte, alegerea spațierii între subpurtătoare intr-un sistem bazat pe OFDM trebuie să fie un compromis atent între overheadul de la prefixul ciclic improtriva sensibilității la împrăștierea Doppler si alte tipuri de erori de frecventa.

Alegerea valorii de 15 kHz pentru spațierea între subpurtătoare LTE a fost gasita ca oferind un echilibru bun intre aceste doua constrangeri.

Presupunand implementarea unui transmitator/receptor pe baza FFT, spațierea între subpurtătoare de 15kHz corespunde unei rate de esantionare d = 15000 * , unde este dimensiunea FFT.

Este important de inteles totusi ca specificatiile LTE nu obligă in niciun fel la folosirea implementarilor de transmitator /receptor pe bază de FFT si cu atat mai putin o dimensiune FFT anume sau o rata de esantionare.

75

Resurse fizice

LTE

Cu toate acestea, implementări bazate pe FFT ale OFDM sunt o practică comună și o dimensiune FFT de 2048, cu o rată de eșantionare corespunzătoare de 30,72 MHz, este adecvată pentru cele mai mari lărgimi de bandă ale purtătoarei LTE, cum ar fi lărgimi de bandă de ordinul a 15 MHz și mai mult.

Cu toate acestea, pentru lărgimi de bandă mai mici, o dimensiune mai mică a FFT și o rată de eșantionare corespunzător inferioară pot fi la fel de bine utilizate.

Rata de eșantionare de mai sus ilustrează un alt factor care influențează alegerea spațierii între subpurtatoare LTE, și anume dorința de a simplifica implementarea terminalelor duale LTE / HSPA.

Presupunând o dimensiune FFT putere a lui doi și o distanță între subpurtătoare de 15 kHz, rata de eșantionare va fi un multiplu sau un sub-multiplu a ratei de chip HSPA de 3,84 Mchip / s.

76

Resurse fizice

LTE

În plus față de spatierea subpurtatoarei de 15 kHz, o spatiere a subpurtatoarei redusa de 7,5 kHz, cu o perioadă de simbol OFDM corespunzatoare de două ori mai lungă, este de asemenea definita pentru LTE.

Introducerea unei spațieri reduse a subpurtatoarei este direct orientata spre transmisii multicast/broadcast (MBSFN).

Cu toate acestea, în prezent suportul pentru spațierea redusă de 7,5 kHz este doar parțial implementat în specificatiile LTE.

Cel putin pentru LTE pana la și inclusiv Release 10, numai spatierea de 15kHz este pe deplin suportată.

77

Resurse fizice

LTE

In domeniul timp, transmisiile LTE sunt organizate în cadre (radio) cu lungimea de 10 ms, fiecare fiind împărțit în zece subcadre de lungime 1 ms.

Fiecare subcadru este format din două sloturi de dimensiuni egale de lungime Tslot=0.5 ms, fiecare constând dintr-un număr de simboluri OFDM incluzand prefix ciclic.

Pentru a oferi definiții consecvente și exacte de sincronizare, diferite intervale de timp în specificatiile LTE sunt definite ca multipli de o unitate de timp de bază

-poate fi vazut ca timpul de eșantionare al unui emițător / receptor implementat pe baza FFT cu o dimensiune FFT egală cu 2048.

78

Resurse fizice

LTE

Intervalele de timp menționate în Figura pot fi exprimate, de asemenea, ca:

La un nivel superior, fiecare cadru este identificat printr-un Număr de Sistem de Cadru (SFN).

SFN este folosit pentru a controla diferite cicluri de transport care pot avea o perioada mai mare de un cadru, cum ar fi ciclurile de paging în sleep-mode și perioade de raportare a stării canalului

Perioada SFN este egala cu 1024, astfel SFN se repetă după 1024 de cadre sau dupa aproximativ 10 secunde.

79

Resurse fizice

LTE

Spatierea între subpurtătoare LTE de 15 kHz corespunde unui perioade utile de simbol de sau aproximativ 66,7 us.

Perioada de simbol OFDM va fi suma perioadei utile de simbol și a lungimii prefixului ciclic TCP.

LTE definește două lungimi ale prefixului ciclic, prefixul ciclic normal și un prefix ciclic extins, corespunzând unor șapte și, respectiv, șase simboluri OFDM pe slotul respectiv.

Lungimile exacte ale prefixului ciclic, exprimate în unitatea de timp , sunt prezentate în Figura.

Se poate observa că, în cazul unui prefix ciclic normal, lungimea acestuia pentru primul simbol OFDM al unui slot este ceva mai mare în comparație cu simbolurile OFDM rămase.

80

Resurse fizice

LTE

81

Resurse fizice

LTE

Un element de resursă, format din câte o subpurtatoare în timpul unui simbol OFDM, este cea mai mica resursa fizica în LTE.

Elementele de resurse sunt grupate în blocuri de resurse.

Fiecare bloc de resurse este format din 12 subpurtatoare consecutive în domeniul de frecvență și un slot de 0,5 ms în domeniul timp.

Fiecare bloc este format astfel din 7*12=84 de elemente de resursa în cazul unui prefix ciclic normal și 6*12=72 de elemente de resurse în cazul unui prefix ciclic extins.

Deși blocurile de resurse sunt definite peste un slot, unitatea de baza in domeniul timp pentru planificarea dinamica în LTE este un subcadru, formata din două sloturi consecutive.

82

Resurse fizice

LTE

83

Resurse fizice

LTE

Motivul definirii blocurilor de resurse pentru un slot este acela ca unele operatii cum ar fi trasmisia distrubuita pe downlink, si salturile de frecventa pe uplink sunt definite pe baza unui slot sau bloc de resurse.

Unitatea minima de planificare, constand in doua blocuri succesive temporal intr-un subcadru ( un bloc de resurse pe slot), poate fi mentionata ca o pereche de blocuri de resurse sau, uneori, PRB (Physical Resource Block).

Specificatiile pentru nivelul fizic din LTE permit unei purtatoare sa contina orice numar de PRB în domeniul de frecventa, variind de la un minim de 6 blocuri de resurse pana la un maxim de 110 blocuri de resurse.

84

Resurse fizice

LTE

Corespunde intregii benzi de transmisie variind cu aproximatie intre 1MHz si 20 MHz cu o granularitate foarte fina.

Permite un grad de flexibilitate a benzii de frecvente foarte ridicat, cel putin din punct de vedere a specificatiilor nivelului fizic.

Totusi, asa cum am mentionat si anterior, cerintele radio-frecventa pentru LTE, cel putin initial, au fost specificate doar pentru un set limitat de benzi de transmisie, ce corespund unui set limitat valori posibile pentru numarul de blocuri de resurse dintr-o purtatoare.

85

Resurse fizice

LTE

Permite un grad de flexibilitate a benzii de frecvente foarte ridicat, cel putin din punct de vedere a specificatiilor nivelului fizic.

Totusi, asa cum am mentionat si anterior, cerintele radio-frecventa pentru LTE, cel putin initial, specificate doar pentru un set limitat de benzi de transmisie, corespund unui set limitat valori posibile pentru numarul de blocuri de resurse dintr-o purtatoare.

Definirea de mai sus pentru blourile de resurse se aplica pentru ambele directii: downlink si uplink. Exista o mica diferență intre uplink si downlink in ceea ce priveste localizarea frecventei centrale a purtatoarei in raport cu subpurtatoarele.

Pe DL, exista o subpurtatoare-DC neutilizata care coincide cu frecventa centrală a purtatoarei. Motivul: poate fi supusă unor interferente disproportinat de mari datorita, de exemplu, „scurgerilor” (leakage) oscilatorului local.

86

Resurse fizice

LTE

Pe de alta parte, pe UL, nu exista subpurtatoare-DC neutilizata definita si frecventa centrala a unei purtatoare pe uplink este localizata intre doua subpurtatoare de pe uplink.

Prezenta unei purtatoare-DC neutilizata in centrul spectrului ar fi impiedicat atribuirea benzii intregii celule unui singur terminal si menținerea în același timp a ipotezei maparii la intrari consecutive ale modulatorului OFDM -> necesar pentru retinerea proprietatii de raport PAPR scăzut a modulatiei DFTS-OFDM folosite pentru transmisia datelor pe uplink.

87

Resurse fizice

LTE

88

Localizarea în domeniul frecvență a purtătoarelor LTE

LTE

89

Scheme de duplexare

LTE

Flexibilitatea spectrului de frecvențe este una dintre caracteristicile cheie ale tehnologiei LTE. În plus, față de flexibilitatea lățimii de bandă de transmisiune, LTE suportă, de asemenea, operarea în spectru pereche și nepereche prin suportarea operării cu duplexare FDD si TDD.

Deși structura in domeniul timp este, în cele mai multe privințe, la fel pentru FDD și TDD, există unele diferențe, mai ales prezența unui subcadru special în cazul TDD.

Subcadrul special este folosit pentru a furniza intervalul de gardă necesar pentru comutarea downlink - uplink.

90

Operatia FDD

LTE

In cazul operatiei FFD (parte superioara fig. 9.9) exista doua frecvente purtatoare, una pentru transmisia pe uplink ( ) si una pe transmisia de downlink ( ).

În timpul fiecare cadru, există zece subcadre UL și zece subcadre DL, si transmisiile uplink și downlink pot apărea simultan într-o celulă.

Izolarea între transmisiile DL și DL se realizează prin filtre de transmisie/recepție, cunoscute sub numele de filtre de duplexare, și o separare duplex suficient de mare în domeniul frecvență.

Un terminal poate fi capabil de operare full-duplex sau half-duplex pentru o anumită bandă de frecvență, dacă este sau nu este capabil de transmisie / recepție simultana.

Suportarea half-duplex permite implementarea simplificata a terminalului datorită cerințelor relaxate ale filtrelor de duplexare

91

Operatia FDD

LTE

Se aplică în special pentru anumite benzi de frecvență, care au un ecart duplex îngust suport full duplex este dependent de banda de

frecvență astfel încât un terminal poate suporta funcționarea doar pe half-duplex în anumite benzi de frecvență fiind în același timp în stare de funcționare full-duplex în benzile acceptate rămase.

Capacitatea duplex full/ half este o proprietate a terminalului; stația de bază funcționează în full duplex, indiferent de capacitățile terminalelor - structurile de transport în cauză si relațiile de sincronizare sunt identice între duplex-full și duplex - half FDD, o singură celulă poate susține simultan un mix de terminale FDD full - duplex și half – duplex.

Functionarea half-duplex are impact asupra ratelor de date, deoarece nu se poate transmite în toate subcadrele uplink, dar capacitatea celulei este foarte puțin afectata, de obicei este posibil să se planifice diferite terminale în uplink și downlink pentru un anumit subcadru.

92

Operatia FDD

LTE

Deoarece terminalul half – duplex nu este capabil de transmiterea și recepția simultană, deciziile de planificare trebuie să ia în considerare acest aspect și funcționarea half -duplex poate fi văzută ca o restricție de planificare.

Dacă un terminal este planificat astfel încât receptia downlink intr-unul din subcadre precede imediat un subcadru de transmisie uplink atunci este necesar un interval de garda pentru trecerea terminalului de la recepție la emisie.

Acest lucru este creat în astfel de cazuri permițând terminalului sa nu mai primeasca ultimul(ele) simbol(uri) OFDM în subcadrul downlink.

Impactul asupra performanței de decodare poate fi combătut prin mecanismul de adaptare a ratei. Pentru rate de date foarte mari, impactul asupra performanței poate fi ceva mai mare, caz în care este de preferat să nu se planifice transmisie UL imediat după recepție DL.

93

Scheme duplex

LTE

FDD duplex-half

Operatia TDD si FDD

94

Operatia TDD

LTE

In cazul TDD avem o frecventa purtatoare unica si transmisiile pe downlink si uplink sunt separate in domeniul timp pentru fiecare celula.

Cateva subcadre sunt alocate pentru transmisiile UL si cateva subcadre pentru transmisia DL, cu comutarea intre downlink si uplink având loc în subcadru special (subcadrul 1 si, in unele cazuri, subcadrul 6).

Diferite asimetrii in ceea ce priveste cantitatea de resurse – subcadre – alocate transmisiei pe UL si DL sunt asigurate cu ajutorul celor 7 configuratii diferite DL/UL.

Subcadrele 0 si 5 sunt intotdeauna alocate transmisiei DL, in timp ce subcadrul 2 este intotdeauna alocat transmisiilor UL.

95

Operatia TDD

LTE

Subcadrele rămase (cu excepția subcadrului special, a se vedea mai jos) pot fi apoi alocate flexibil pentru DL sau pentru transmisia UL in funcție de configurația DL/ UL.

Pentru a evita interferența severă între DL și transmisiile UL în celule diferite, celulele vecine au de obicei aceeași configurație downlink / uplink –> este dificil de a schimba configurarea downlink / uplink dinamic, de exemplu la fiecare cadru.

Specificatiile actuale LTE presupun că configurația DL / UL este relativ statica.

Acestea pot fi modificate într-un mod foarte lent, cu scopul de a se adapta la schimbarea modelelor de trafic.

S-ar putea, de asemenea, să fie diferite în domenii diferite, de exemplu, pentru a se potrivi diferitelor modele de trafic -> interferența inter-celulă trebuie să fie abordată cu atenție.

96

Operatia TDD

LTE

97

Operatia TDD

LTE

Atât stația de bază cat și terminalul au nevoie sa comute de la transmisie la recepție și invers. Acest lucru se întâmplă într-un subcadru special, care este împărțit în trei părți: parte downlink (DwPTS)

perioada de garda (GP)

parte uplink (UpPTS)

DwPTS este în esență tratat ca un subcadru downlink, deși cantitatea de date care poate fi transmisa este mai mica datorită lungimii reduse a DwPTS comparativ cu un subcadru normal.

UpPTS, cu toate acestea, nu este utilizat pentru transmisia de date datorită duratei foarte scurte. În schimb, acesta poate fi folosit pentru sondarea canalului sau pentru acces aleator. Acesta poate fi, de asemenea, lăsat gol, caz în care servește ca GP suplimentară.

98

Operatia TDD

LTE

Un aspect esențial al oricărui sistem TDD este posibilitatea de a oferi o perioadă de gardă suficient de mare, în care nu au loc nici DL, nici transmisii UL.

Această perioadă de garda este necesara pentru comutarea de la transmisia downlink la transmisia uplink si invers, si după cum s-a menționat deja, se obține din subcadrul special.

Lungimea necesară a perioadei de gardă depinde de mai mulți factori. Ar trebui să fie suficient de mare pentru a asigura timpul necesar pentru circuitele în

stațiile de bază și terminale sa comute de la downlink la uplink. Comutarea este de obicei relativ rapida, de ordinul a 20 microsecunde, și în cele mai multe implementări nu contribuie în mod semnificativ la timpul necesar de gardă.

Trebuie să se asigure că transmisiile UL și DL nu interferează in BS. Acest lucru se va realiza prin controlul avansului temporal pe uplink catre terminale astfel incat, la BS, ultimul subcadru UL sa inceapa înainte ca comutarea UL-DL sa se termine, înainte de transmisia primului subcadru downlink ,.

99

Operatia TDD

LTE

Sincronizarea uplink al fiecarui terminal poate fi controlata de către BS utilizând mecanism de avans temporal.

Evident, perioada de garda trebuie să fie suficient de mare pentru a permite terminalului sa primeasca transmisia downlink și sa comute la transmisie înainte de a începe transmisia uplink (avansata temporal).

În esență, o parte din perioada de gardă din subcadrul special este „mutată” de la comutarea DL-UL la comutarea UL-DL de către mecanismul de avans temporal

Cum avansul temporal este proporțional cu distanța până la stația de bază, este necesară o perioadă mai mare de garda atunci când se operează în celule mari comparativ cu celule mici.

100

Operatia TDD

LTE

101

Operatia TDD

LTE

Din discuția de mai sus, este clar că este nevoie de un grad suficient de configurabilitate a perioadei de gardă pentru a satisface diferite scenarii de implementare.

Prin urmare, un set de configuratii DwPTS / GP / UpPTS este suportat, unde fiecare configurație corespunde unei anumite lungimi ale celor trei câmpuri în subcadrele speciale.

Configuratia DwPTS/GP/UpPTS folosita în celula este semnalizată ca parte a informațiilor din sistem.

102

DL PHY layer processing

LTE

Description of the physical-layer processing applied to DL-SCH transport channels, including the mapping to the physical resource resource elements of the OFDM time–frequency grid.

DL-SCH is the main downlink transport channel type in LTE and is used for transmission of user-specific higher-layer information, both user data and dedicated control information, as well as part of the downlink system information.

The DL-SCH physical-layer processing is to a large extent applicable also to MCH and PCH transport channels, although with some additional constraints.

On the other hand, the physical-layer processing, and the transmission structure in general, for the BCH is quite different out of scope.

Mobile Communications Systems – Year 1 AWT – Lect. Alexandru Vulpe 103


LTE

104


LTE

Within each Transmission Time Interval (TTI), corresponding to one subframe of length 1 ms, up to two transport blocks of dynamic size are delivered to the physical layer and transmitted over the radio interface.

The number of transport blocks transmitted within a TTI depends on the configuration of the multi-antenna transmission scheme.

In the case of no spatial multiplexing there is at most a single transport block in a TTI.

In the case of spatial multiplexing, with transmission on multiple layers in parallel to the same terminal, there are two transport blocks within a TTI

105

CRC insertion

LTE

a 24-bit CRC is calculated for and appended to each transport block.

The CRC allows for receiver-side detection of errors in the decoded transport block.

The corresponding error indication can be used by the downlink hybrid-ARQ protocol as a trigger for requesting retransmissions

106

Code block segmentation

LTE

LTE Turbo-coder defined for maximum block size of 6144 bits.

If transport block (+CRC) exceeds maximum block size code-block segmentation is applied before turbo coding

Code-block segmentation transport block is segmented into

smalled code blocks with a size that matches the set of code blocks supported by Turbo coder

Possibility to insert „dummy” filler bits at the head of first code block transport block of arbitrary size can be segmented into

code blocks that matches set of code-block sizes

Additional CRC is calculated and appended to each code block

allows early detection of correctly decoded code blocks

Info about the transport-block size is provided to the terminal as part of the scheduling assignment transmitted on the PDCCH control channel

107

Channel coding

LTE

Based on turbo coding

2 rate-1/2, eight-state constituent encoders, (an overall code rate of 1/3), in combination with QPP-based interleaving

108

Channel coding

LTE

QPP interleaver provides a mapping from the input (non-interleaved) bits to the output (interleaved) bits according to the function c(i)

QPP = Quadrature Permutation Polynomial

i is the index of the bit at the output of the interleaver

K is the code-block/interleaver size

The values of the parameters f 1 and f2 depend on the code-block size K

109

Rate matching and Hybrid-ARQ

LTE

Outputs of the Turbo encoder (systematic bits, first parity bits, second parity bits) are first separately interleaved.

The interleaved bits are then inserted into circular buffer with the systematic bits inserted first, followed by alternating insertion of the first and second parity bits

Bit selection extracts consecutive bits from the circular buffer to an extent that matches the number of available resource elements in the resource blocks assigned for the transmission

The exact set of bits to extract depends on the redundancy version (RV) corresponding to different starting points for the extraction of coded bits from the circular buffer

4 different alternatives for the redundancy version

Operates on the full set of code bits corresponding to one TB and not separately on the code bits corresponding to a single code block

110

Rate matching and Hybrid-ARQ

LTE

111

Bit-Level scrambling

LTE

Scrambling implies that the block of code bits delivered by the hybrid-ARQ functionality is multiplied (exclusive-or operation) by a bit-level scrambling sequence

Without DL scrambling, channel decoder at the terminal could, at least in principle, be equally matched to an interfering signal as to the target signal, thus being unable to properly suppress the interference

By applying different scrambling sequences for neighboring cells, the interfering signal(s) after descrambling is (are) randomized, full utilization of the processing gain provided by channel code

bit scrambling essentially serves the same purpose as the scrambling applied at chip level after DS spreading in DS-CDMA-based systems such as WCDMA/HSPA

DL scrambling is applied to all transport channels as well as to DL L1/L2 control signaling

112

Data Modulation & Antenna Mapping

LTE

Data modulation transforms the block of scrambled bits to a corresponding block of complex

modulation symbols.

Set of modulation schemes supported for the LTE DL: QPSK, 16QAM, and 64QAM, two, four, and six bits per modulation symbol respectively

Antenna mapping jointly processes the modulation symbols corresponding to the one or two

transport blocks and maps the result to different antenna ports

antenna ports do not necessarily correspond to specific physical antennas.

antenna port is a more general concept introduced, for example, to allow for beam-forming using multiple physical antennas without the terminal being aware of the beamforming carried out at the transmitter side.

an antenna port can be seen as corresponding to the transmission of a reference signal

if the same reference signal is transmitted from multiple physical antennas, they correspond to a single antenna port.

similarly, if two different reference signals are transmitted from the same set of physical antennas, this corresponds to two separate antenna ports

113

Resource-Block mapping

LTE

Resource-block mapping takes symbols transmitted on each antenna port and maps them to resource elements of the set of resource blocks assigned by the MAC scheduler for transmission.

Each resource block consists of 84 (72 in case of extended CP) resource elements (twelve subcarriers during seven (six) OFDM symbols).

Some of resource elements within a resource block will not be available for the transport-channel transmission as they are occupied by: different types of downlink reference signals;

downlink L1/L2 control signaling (one, two, or three OFDM symbols at the head of each subframe),

Furthermore, within some resource blocks, additional resource elements are reserved for the transmission of synchronization signals as well as for the transmission of the BCH transport channel.

114

DL Reference signals

LTE

predefined signals occupying specific resource elements within the DL time–frequency grid.

LTE specs include several types of DL reference signals that are transmitted in different ways and used for different purposes by the receiving terminal.

Cell-specific reference signals (CRS). transmitted in every downlink subframe and in every resource block in the

frequency domain

can be used by the terminal for channel estimation for coherent demodulation of any downlink physical channel

can also be used by terminal to acquire channel-state information (CSI).

Demodulation reference signals (DM-RS). specifically intended to be used by terminals for channel estimation for

PDSCH

115

DL Reference signals

LTE

CSI reference signals (CSI-RS). used by terminals to acquire channel-state information (CSI) in the case

when demodulation reference signals are used for channel estimation

have a significantly lower time/frequency density, thus implying less overhead, compared to the cell-specific reference signals

MBSFN reference signals are intended to be used for channel estimation for coherent demodulation in

the case of MCH transmission using so-called MBSFN

Positioning reference signals were introduced in LTE release 9 to enhance LTE positioning functionality

116

Thank you!

Date post:	28-Jan-2016
Category:	Documents
Upload:	liliana-craciun
View:	52 times
Download:	2 times

cap9_LTE

Documents