Организация связи в сетях LTE

Практически в любой системе связи время от времени возникают ошибки при пересылке данных – например, из-за шумов, помех и замирания сигнала. Для защиты от ошибок применяются методы повторной передачи искаженных или утраченных частей данных, предназначенные для гарантии качества связи. Чем эффективнее организован протокол повторной передачи, тем рациональнее используются радио ресурсы. Для максимально полного использования высокоскоростного радио интерфейса в технологии LTE реализована динамическая эффективная двухуровневая система повторной передачи, реализующая протокол Hybrid ARQ (Automatic Repeat Query), или HARQ, с небольшими накладными расходами на обратную связь и повторную посылку данных, который дополнен высоконадежным протоколом селективного повтора ARQ.

Протокол HARQ предоставляет приемному устройству избыточную информацию, дающую ему возможность исправлять определенную часть ошибок. Повторные передачи по протоколу HARQ создают дополнительную информационную избыточность, нужную в том случае, если для устранения ошибок первой передачи оказалось недостаточно. Повторная передача пакетов, не исправленных протоколом HARQ, осуществляется посредством протокола ARQ.

Данное решение обеспечивает малую задержку передачи пакетов с небольшими накладными расходами, при этом надежность связи гарантируется. Большинство ошибок обнаруживаются и исправляются с помощью протокола HARQ. Поэтому повторная передача данных по протоколу ARQ (что связано с большими накладными расходами и повышает время задержки передачи пакетов) происходит лишь изредка.

В технологии LTE оконечным узлом, поддерживающим протоколы HARQ и ARQ, является базовая станция, обеспечивающая тесную связь уровней протоколов HARQ и ARQ. К разнообразным преимуществам такой архитектуры относятся быстрое устранение ошибок, оставшихся после работы HARQ, и регулируемый объем данных, передаваемых с использованием протокола ARQ.

Канальный ресурс и его характеристики

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

Для взаимной синхронизации E-UTRAN и UTRAN используют тактирование с длительностью временной единицы T

= 1/(15000?2048)c. Передача по радиоканалу идет кадрами длиной 10 мс, что составляет 307200 Ts. Кадр состоит из 20 временных слотов длиной 15360?Ts = 0,5мс, пронумерованных от 0 до 19. Два последовательных слота составляют 1 субкадр (подкадр) – всего 10 субкадров, от 0 до 9 (рис. 6). Различают 2 структуры кадров: кадры типа 1 при работе с частотным дуплексом (FDD) и кадры типа 2 при работе с временным дуплексом (TDD). На рис. 7. показаны структуры кадров с FDD и TDD.

Рис. 6 Структура кадра типа 1

Рис. 7. Структура кадра при частотном и временном дуплексе

При частотном дуплексе в каждом субкадре идет одновременная передача вверх (UL) и вниз (DL) в разных частотных полосах. При временном дуплексе в некоторых субкадрах идет передача вниз (D), в других вверх (U). Кроме того, есть специальные (переходные) субкадры (S), состоящие из трех полей: DwPTS – поля передачи вниз, UpPTS – поля передачи вверх и защитного интервала (GP). В сетях LTE согласно спецификациям возможны 7 конфигураций кадров при временном дуплексе (рис. 8).

Рис. 8. Конфигурации кадра при временном дуплексе

Так как число символов в поле вниз DwPTS специального субкадра гораздо больше количества символов в поле вверх UpPTS, то при оценке относительного времени передачи DL:UL на рис. 8 специальные субкадры относим к субкадрам передачи вниз.

В сетях LTE с временным дуплексом суммарная пропускная способность в рабочей полосе делится между потоками вниз и вверх в соответствии со сценариями на рис. 8. Это позволяет оператору менять конфигурацию кадра в зависимости от реальной картины трафика, который, как правило, асимметричен. Для сетей LTE с временным дуплексом выделены полосы частот в диапазоне от 1900 до 3800 МГц [1, гл. 3.2], что предполагает использование этого варианта дуплекса в микро, пико и фемтосотах.

При расстоянии между поднесущими ?F = 15 кГц длина OFDM-символа составляет 1/?F ? 66,7 мкс. В каждой половине субкадра (слоте длиной 0,5мс) передают 6 или 7 OFDM-символов в зависимости от длительности циклического префикса СР (cyclic prefix) ? активной паузы между символами. Длительность циклического префикса T

составляет 160Тs ?5,2 мкс перед первым символом и 144Тs ?4,7мкс перед остальными символами. Возможен вариант использования расширенного СР длительностью 512Тs ?16,7мкс. В этом случае в одном субкадре размещают 6-OFDM символов.

Весь канальный ресурс разделяют на ресурсные блоки (РБ). Ресурсный блок состоит из 12 расположенных рядом поднесущих, занимающих полосу 180 кГц и одного временного слота (7 или 6 OFDM-символов на интервале 0,5 мс). При передаче вниз, от eNB к UE, каждый ресурсный блок состоит из 12?7 = 84 РЭ (при нормальном СР). Ресурсный элемент (РЭ) характеризуется 2-мя параметрами {k,l}, где k определяет номер поднесущей, а l ? номер символа в ресурсном блоке. Каждый OFDM-символ состоит из k РЭ, где k – количество поднесущих в выделенных ресурсных блоках. Часть ресурсных элементов используют для передачи опорных (reference) символов (рис. 9). Выделяемый канальный ресурс определяют числом ресурсных блоков или групп ресурсных блоков.

Реальная скорость передачи данных уменьшается из-за передачи опорных символов и управляющих каналов. Опорные символы (CRS – Cell-specific Reference Signals) используют для организации когерентной демодуляции и оценки каналов. При работе нескольких передающих антенн каждой антенне выделены определенные РЭ для передачи опорных символов. Снижение пропускной способности ресурсного блока (в процентах) из-за передачи опорных символов приведено в табл. 1.

Рис. 9. Структура ресурсного блока при передаче вниз

Таблица 1 Снижение пропускной способности

Нормальный СР

Расширенный СР

1 перед. антенна

4,76

5,56

2 перед. антенны

9,52

11,11

4 перед. антенны

14,29

15,87

При выделении канального ресурса вверх используют те же понятия ресурсного блока (12 поднесущих общей полосой 180 кГц в слоте), и субкадров длительностью 1 мс с 7 или 6 OFDM-символами в каждом слоте. Пример распределения канального ресурса между разными абонентами (User) проиллюстрирован на рис. 10.

Рис. 10. Распределение канального ресурса вверх

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

Абонентский трафик передают блоками, которые размещают в субкадрах. Структура субкадра вниз (кроме 0 и 5 субкадров) приведена на рис. 11. В начале каждого субкадра размещают каналы управления: PCFICH (Physical Control Format Indicator Channel) – канал, где указано, сколько OFDM-символов выделено в субкадре для передачи управляющих каналов (от 1 до 4 OFDM-символов), PHICH (Physical Hybrid ARQ Indicator Channel) – канал для передачи подтверждений (неподтверждений) принятых в предыдущих субкадрах блоков трафика вверх (от UE) и PDCCH (Physical Downlink Control Channel) – канал для передачи информации о выделении ресурсных блоков и форматах передачи в канале с разделением пользователей вниз PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) и каналах вверх PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) и PUCCH (Physical Uplink Control Channel) [8].

Остальную часть субкадра вниз занимает канал PDSCH, где размещают пакеты (блоки) трафика, вызовы абонентов (пейджинг), ответы eNB на запросы мобильных терминалов на доступ к сети, а также блоки системной информации SIB (System Information Blocks).

Рис. 11. Распределение канального ресурса в субкадре вниз

В субкадрах 0 и 5, кроме указанных каналов, передают 2 синхронизирующих сигнала: первичный PSS (Primary Synchronization Signal) и вторичный SSS (Secondary Synchronization Signal), а в нулевом субкадре еще канал передачи системной информации PBCH (Physical Broadcast Channel) (рис. 12) [9]. Синхронизирующие сигналы используются абонентскими терминалами для обнаружения сети LTE и синхронизации с ней. Что касается канала PBCH, то в нем передают всего несколько параметров. Основную часть системной информации оператор размещает в системных блоках (SIB).

Рис. 12. Распределение канального ресурса в субкадре 0 при частотном дуплексе

Содержание основных блоков системной информации [10]:

SIB1 – повторяют каждые 80 мс (8 кадров), передают идентификатор сети, код зоны слежения, идентификатор соты, статус соты, позиционирование остальных SIB,

SIB2 – содержит информацию о конфигурации радио ресурса: разнос частот вверх и вниз, запрет на определенные виды услуг, номера субкадров для передачи мультимедийного вещания, полоса (число РБ) при передаче вверх,

SIB3 – общая информация, относящаяся к реселекции сот, включая межсистемные переходы,

SIB4 – список соседних сот с их специфическими параметрами, необходимыми для выполнения процедуры реселекции сот без смены частоты,

SIB5 – информация, необходимая для реселекции сот внутри E-UTRA со сменой рабочей частоты,

SIB6-8 – содержит информацию, необходимую для межсетевых переключений UE на UMTS (SIB6), GERAN (SIB7), CDMA2000 (SIB8),

SIB9 – содержит идентификатор фемтосоты Home eNB Identifier (HeNBID),

SIB10-11 – передача первичных и вторичных предупреждений о землетрясениях и цунами,

SIB12– передача срочных коммерческих сообщений,

SIB13 – информация о передаче каналов управления мультимедийного вещания.