Sieć LTE została niedawno zatwierdzona przez konsorcjum 3GPP. Korzystając z takiego interfejsu radiowego, można uzyskać sieć o niespotykanej wydajności pod względem maksymalnej szybkości przesyłania danych, opóźnienia przesyłania pakietów i wydajności widmowej. Autorzy twierdzą, że uruchomienie sieci LTE pozwala na bardziej elastyczne wykorzystanie widma radiowego, technologii wieloantenowej, adaptacji kanałów, mechanizmów harmonogramowania, organizacji retransmisji danych i sterowania mocą.
Backstory
Komórkowy dostęp szerokopasmowy, który jest oparty na technologii szybkiej transmisji pakietowej HSPA, jest już powszechnie akceptowany przez użytkowników sieci komórkowych. Niezbędna jest jednak dalsza poprawa ich obsługi, np. poprzez zwiększenie szybkości transmisji danych, minimalizację czasu opóźnień, a także zwiększenie ogólnej przepustowości sieci, ponieważ wymagania użytkownikówusługi takiej komunikacji stale się zwiększają. W tym celu konsorcjum 3GPP opracowało specyfikację interfejsów radiowych HSPA Evolution i LTE.
Główne różnice w stosunku do wcześniejszych wersji
Sieć LTE różni się od wcześniej opracowanego systemu 3G ulepszonymi parametrami technicznymi, w tym maksymalną szybkością przesyłania danych przekraczającą 300 megabitów na sekundę, opóźnieniem przekazywania pakietów nie przekraczającym 10 milisekund, a wydajność widmowa stała się o wiele wyżej. Budowa sieci LTE może być realizowana zarówno w nowych pasmach częstotliwości, jak i u istniejących operatorów.
Ten interfejs radiowy jest pozycjonowany jako rozwiązanie, do którego operatorzy będą stopniowo przechodzić z systemów obecnie istniejących standardów, takich jak 3GPP i 3GPP2. A rozwój tego interfejsu to dość ważny etap na drodze do powstania standardu sieci IMT-Advanced 4G, czyli nowej generacji. W rzeczywistości specyfikacja LTE zawiera już większość funkcji, które pierwotnie były przeznaczone dla systemów 4G.
Zasada organizacji interfejsu radiowego
Komunikacja radiowa ma charakterystyczną cechę, która polega na tym, że jakość kanału radiowego nie jest stała w czasie i przestrzeni, ale zależy od częstotliwości. Tutaj trzeba powiedzieć, że parametry komunikacji zmieniają się stosunkowo szybko w wyniku wielodrogowej propagacji fal radiowych. W celu utrzymania stałej szybkości wymiany informacji w kanale radiowym stosuje się zwykle szereg metod minimalizacjipodobne zmiany, a mianowicie różne metody dywersyfikacji transmisji. Jednocześnie w procesie przesyłania pakietów informacji użytkownicy nie zawsze mogą zauważyć krótkotrwałe wahania przepływności. Tryb sieci LTE zakłada jako podstawową zasadę dostępu radiowego nie ograniczanie, ale stosowanie szybkich zmian jakości kanału radiowego w celu zapewnienia jak najefektywniejszego wykorzystania dostępnych w danym momencie zasobów radiowych. Jest to realizowane w dziedzinie częstotliwości i czasu za pomocą technologii dostępu radiowego OFDM.
Urządzenie sieciowe LTE
Jaki to jest system, można zrozumieć tylko poprzez zrozumienie, jak jest zorganizowany. Opiera się na konwencjonalnej technologii OFDM, która polega na transmisji danych przez kilka wąskopasmowych podnośnych. Zastosowanie tego ostatniego w połączeniu z prefiksem cyklicznym umożliwia uodpornienie komunikacji opartej na OFDM na rozrzuty czasowe parametrów kanału radiowego, a także pozwala praktycznie wyeliminować konieczność stosowania skomplikowanych korektorów po stronie odbiorczej. Ta okoliczność okazuje się bardzo przydatna do organizowania łącza w dół, ponieważ w tym przypadku możliwe jest uproszczenie przetwarzania sygnałów przez odbiornik na częstotliwości głównej, co pozwala również obniżyć koszt samego urządzenia końcowego jak moc przez nią zużywana. A to staje się szczególnie ważne w przypadku korzystania z sieci 4G LTE wraz z wielostrumieniowością.
Łącze w górę, w którym moc promieniowana jest znacznie niższa niż w łączu w dół, wymaga obowiązkowego włączenia do pracyenergooszczędna metoda przesyłania informacji zwiększająca zasięg, zmniejszająca pobór mocy urządzenia odbiorczego, a także jego koszt. Przeprowadzone badania doprowadziły do tego, że obecnie dla łącza uplink LTE stosowana jest jednoczęstotliwościowa technologia rozgłaszania informacji w postaci OFDM z dyspersją odpowiadającą dyskretnej transformacji Fouriera. To rozwiązanie zapewnia niższy stosunek średnich i maksymalnych poziomów mocy w porównaniu z konwencjonalną modulacją, co poprawia efektywność energetyczną i upraszcza konstrukcję urządzeń końcowych.
Podstawowy zasób używany do transmisji informacji zgodnie z technologią ODFM może być pokazany jako sieć czasowo-częstotliwościowa, która odpowiada zestawowi symboli OFDM, oraz podnośne w dziedzinie czasu i częstotliwości. Tryb sieci LTE zakłada, że jako główny element transmisji danych wykorzystywane są tutaj dwa bloki zasobów, które odpowiadają pasmowi częstotliwości 180 kHz i odstępowi czasu jednej milisekundy. Łącząc zasoby częstotliwości, ustawiając parametry komunikacji, w tym współczynnik kodowania i wybór kolejności modulacji, można uzyskać szeroki zakres szybkości transmisji danych.
Specyfikacje
Jeśli weźmiemy pod uwagę sieci LTE, to, co to jest, stanie się jasne po pewnych wyjaśnieniach. Aby osiągnąć wysokie cele stawiane interfejsowi radiowemu takiej sieci, jej twórcy zorganizowali szereg dość ważnychchwile i funkcjonalność. Każdy z nich zostanie opisany poniżej, ze szczegółowym wskazaniem, w jaki sposób wpływają one na ważne wskaźniki, takie jak przepustowość sieci, zasięg radiowy, czas opóźnienia i szybkość przesyłania danych.
Elastyczność w wykorzystaniu widma radiowego
Normy prawne obowiązujące w określonym regionie geograficznym wpływają na sposób organizacji komunikacji mobilnej. Oznacza to, że przepisują one widmo radiowe przydzielone w różnych zakresach częstotliwości przez niesparowane lub sparowane pasma o różnych szerokościach. Elastyczność użytkowania to jedna z najważniejszych zalet widma radiowego LTE, która pozwala na wykorzystanie go w różnych sytuacjach. Architektura sieci LTE pozwala nie tylko na pracę w różnych pasmach częstotliwości, ale również na wykorzystanie pasm częstotliwości o różnych szerokościach: od 1,25 do 20 megaherców. Ponadto taki system może działać w niesparowanych i sparowanych pasmach częstotliwości, obsługując odpowiednio dupleks czasowy i częstotliwościowy.
Jeśli mówimy o urządzeniach końcowych, to używając sparowanych pasm częstotliwości, urządzenie może działać w trybie pełnego lub półdupleksowego trybu dupleksu. Drugi tryb, w którym terminal odbiera i transmituje dane w różnym czasie i na różnych częstotliwościach, jest atrakcyjny pod tym względem, że znacznie zmniejsza wymagania dotyczące właściwości filtra dupleksowego. Dzięki temu możliwe jest obniżenie kosztów urządzeń końcowych. Ponadto staje się możliwe wprowadzenie sparowanych pasm częstotliwości z małym odstępem dupleksu. Okazuje się, że sieciKomunikacja komórkowa LTE może być zorganizowana w prawie każdym rozkładzie widma częstotliwości.
Jedynym wyzwaniem w rozwoju technologii dostępu radiowego, która umożliwia elastyczne wykorzystanie widma radiowego, jest zapewnienie kompatybilności urządzeń komunikacyjnych. W tym celu technologia LTE implementuje identyczną strukturę ramki w przypadku wykorzystania pasm częstotliwości o różnych szerokościach i różnych trybach dupleksu.
Transmisja danych z wieloma antenami
Zastosowanie nadawania wieloantenowego w systemach komunikacji mobilnej pozwala poprawić ich parametry techniczne, a także poszerzyć ich możliwości w zakresie obsługi abonenckiej. Zasięg sieci LTE polega na wykorzystaniu dwóch metod transmisji wieloantenowej: dywersyfikacji i wielostrumieniowej, których szczególnym przypadkiem jest formowanie wąskiej wiązki radiowej. Różnorodność można traktować jako sposób na wyrównanie poziomu sygnału pochodzącego z dwóch anten, co pozwala wyeliminować głębokie spadki poziomu sygnałów odbieranych z każdej anteny z osobna.
Przyjrzyjmy się bliżej sieci LTE: co to jest i jak wykorzystuje wszystkie te tryby? Dywersyfikacja transmisji opiera się tutaj na metodzie kodowania przestrzenno-częstotliwościowego bloków danych, które jest uzupełniane przez dywersyfikację czasową z przesunięciem częstotliwości przy jednoczesnym wykorzystaniu czterech anten. Różnorodność jest zwykle używana w przypadku wspólnych łączy w dół, w których funkcja planowania nie może być zastosowana w zależności od stanu łącza. W którymdywersyfikacja transmisji może być wykorzystywana do wysyłania danych użytkownika, takich jak ruch VoIP. Ze względu na stosunkowo małe natężenie takiego ruchu nie można uzasadnić dodatkowego narzutu związanego ze wspomnianą wcześniej funkcją harmonogramowania. Dzięki różnorodności danych można zwiększyć promień komórek i pojemność sieci.
Transmisja wielostrumieniowa do jednoczesnej transmisji wielu strumieni informacji w jednym kanale radiowym wymaga użycia kilku anten odbiorczych i nadawczych umieszczonych odpowiednio w urządzeniu końcowym i stacji bazowej sieci. To znacznie zwiększa maksymalną prędkość transmisji danych. Na przykład, jeśli urządzenie końcowe jest wyposażone w cztery anteny i taki numer jest dostępny w stacji bazowej, to całkiem możliwe jest jednoczesne przesyłanie do czterech strumieni danych na jednym kanale radiowym, co faktycznie pozwala na czterokrotne zwiększenie jego przepustowości.
Jeżeli korzystasz z sieci o małym obciążeniu lub małych komórkach, to dzięki multi-streaming możesz osiągnąć odpowiednio wysoką przepustowość dla kanałów radiowych, a także efektywnie wykorzystać zasoby radiowe. Jeśli są duże komórki i wysoki stopień obciążenia, jakość kanału nie pozwoli na transmisję wielostrumieniową. W takim przypadku jakość sygnału można poprawić, stosując wiele anten nadawczych, aby utworzyć wąską wiązkę do przesyłania danych w jednym strumieniu.
Jeśli rozważymysieć LTE – co daje jej osiągnięcie większej wydajności – wtedy warto wnioskować, że dla wysokiej jakości pracy w różnych warunkach pracy technologia ta realizuje adaptacyjną transmisję wielostrumieniową, co pozwala na ciągłe dostosowywanie ilości strumieni transmitowanych jednocześnie, zgodnie z ciągle zmieniającym się stanem połączeń. Przy dobrych warunkach łącza można przesyłać do czterech strumieni danych jednocześnie, osiągając szybkość transmisji do 300 megabitów na sekundę przy przepustowości 20 megaherców.
Jeżeli stan kanału nie jest tak korzystny, transmisja jest realizowana przez mniejszą liczbę strumieni. W takiej sytuacji anteny mogą być wykorzystane do formowania wąskiej wiązki, poprawiając ogólną jakość odbioru, co ostatecznie prowadzi do zwiększenia przepustowości systemu i poszerzenia obszaru obsługi. Aby zapewnić duże obszary zasięgu radiowego lub transmisję danych z dużą prędkością, możesz przesyłać pojedynczy strumień danych z wąską wiązką lub korzystać z różnorodności danych na wspólnych kanałach.
Mechanizm adaptacji i wysyłki kanału komunikacji
Zasada działania sieci LTE zakłada, że harmonogramowanie będzie oznaczać podział zasobów sieciowych pomiędzy użytkowników w celu transmisji danych. Zapewnia to dynamiczne planowanie w kanałach downstream i upstream. Sieci LTE w Rosji są obecnie skonfigurowane w taki sposób, aby zrównoważyć kanały komunikacji i ogólnieogólna wydajność systemu.
Interfejs radiowy LTE zakłada implementację funkcji planowania w zależności od stanu kanału komunikacyjnego. Zapewnia transmisję danych z dużymi prędkościami, co osiąga się dzięki zastosowaniu modulacji wyższego rzędu, transmisji dodatkowych strumieni informacji, zmniejszeniu stopnia kodowania kanału oraz zmniejszeniu liczby retransmisji. Wykorzystuje się do tego zasoby częstotliwości i czasu, które charakteryzują się stosunkowo dobrymi warunkami komunikacyjnymi. Okazuje się, że transfer dowolnej ilości danych odbywa się w krótszym czasie.
Sieci LTE w Rosji, podobnie jak w innych krajach, są budowane w taki sposób, że ruch usług, które są zajęte przekazywaniem pakietów o małej wartości użytkowej w tych samych odstępach czasu, może powodować konieczność zwiększenia ilości ruchu sygnalizacyjnego co jest wymagane do planowania dynamicznego. Może nawet przekroczyć ilość informacji nadawanych przez użytkownika. Dlatego istnieje coś takiego jak statyczne harmonogramowanie sieci LTE. Co to jest, stanie się jasne, jeśli powiemy, że użytkownikowi przydzielono zasób RF przeznaczony do przesyłania określonej liczby ramek podrzędnych.
Dzięki mechanizmom adaptacyjnym możliwe jest „wyciśnięcie wszystkiego, co możliwe” z kanału z dynamiczną jakością łącza. Pozwala na wybór schematu kodowania i modulacji kanału zgodnie z warunkami komunikacji charakteryzującymi sieci LTE. Co to jest, stanie się jasne, jeśli powiemy, że jego praca wpływa…o szybkości transmisji danych, a także o prawdopodobieństwie wystąpienia błędów w kanale.
Moc i regulacja łącza w górę
Ten aspekt dotyczy kontrolowania poziomu mocy emitowanej przez terminale w celu zwiększenia przepustowości sieci, poprawy jakości komunikacji, zwiększenia obszaru zasięgu radiowego i zmniejszenia zużycia energii. Aby osiągnąć te cele, mechanizmy kontroli mocy dążą do maksymalizacji poziomu użytecznego sygnału przychodzącego przy jednoczesnej redukcji zakłóceń radiowych.
Sieci LTE firmy Beeline i innych operatorów zakładają, że sygnały łącza w górę pozostają ortogonalne, to znaczy nie powinno być wzajemnych zakłóceń radiowych między użytkownikami tej samej komórki, przynajmniej w idealnych warunkach komunikacji. Poziom zakłóceń generowanych przez użytkowników sąsiednich komórek zależy od tego, gdzie znajduje się terminal nadawczy, czyli od tego, w jaki sposób jego sygnał ulega osłabieniu w drodze do komórki. Sieć Megafon LTE jest zorganizowana dokładnie w ten sam sposób. Prawidłowo byłoby powiedzieć tak: im bliżej terminala jest sąsiedniej komórki, tym wyższy będzie poziom interferencji, który w nim wytwarza. Terminale znajdujące się dalej od sąsiedniej komórki są w stanie przesyłać silniejsze sygnały niż terminale znajdujące się blisko niej.
Ze względu na ortogonalność sygnałów, łącze w górę może multipleksować sygnały z terminali o różnej mocy w jednym kanale w tej samej komórce. Oznacza to brak konieczności kompensacji skoków poziomu sygnału,które powstają w wyniku wielościeżkowej propagacji fal radiowych i można je wykorzystać do zwiększenia szybkości transmisji danych za pomocą mechanizmów adaptacji i harmonogramowania kanałów komunikacyjnych.
Przekaźniki danych
Prawie każdy system komunikacyjny i sieci LTE na Ukrainie nie są wyjątkiem, od czasu do czasu popełnia błędy w procesie przesyłania danych, na przykład z powodu zaniku sygnału, zakłóceń lub szumów. Ochronę przed błędami zapewniają metody retransmisji utraconych lub uszkodzonych informacji, mające na celu zapewnienie wysokiej jakości komunikacji. Zasoby radiowe są wykorzystywane znacznie bardziej racjonalnie, jeśli protokół przekazywania danych jest zorganizowany efektywnie. Aby w pełni wykorzystać szybki interfejs radiowy, technologia LTE posiada dynamicznie wydajny dwuwarstwowy system przekazywania danych, który implementuje Hybrid ARQ. Charakteryzuje się niskim obciążeniem niezbędnym do dostarczania informacji zwrotnych i ponownego wysyłania danych, wraz z protokołem selektywnego ponawiania o wysokiej niezawodności.
Protokół HARQ dostarcza urządzeniu odbierającemu nadmiarowe informacje, umożliwiając mu skorygowanie określonych błędów. Retransmisja za pośrednictwem protokołu HARQ prowadzi do powstania dodatkowej nadmiarowości informacji, która może być wymagana, gdy retransmisja nie wystarczyła do wyeliminowania błędów. Retransmisja pakietów, które nie zostały poprawione przez protokół HARQ jest wykonywana za pomocąprzy użyciu protokołu ARQ. Sieci LTE na iPhonie działają według powyższych zasad.
To rozwiązanie pozwala zagwarantować minimalne opóźnienie translacji pakietów przy niskim obciążeniu, a jednocześnie gwarantowana jest niezawodność komunikacji. Protokół HARQ pozwala wykryć i poprawić większość błędów, co prowadzi do dość rzadkiego użycia protokołu ARQ, ponieważ wiąże się to ze znacznym obciążeniem, a także wzrostem czasu opóźnienia podczas translacji pakietów.
Stacja bazowa jest węzłem końcowym, który obsługuje oba te protokoły, zapewniając ścisłe połączenie między warstwami obu protokołów. Wśród różnych zalet takiej architektury jest duża szybkość eliminowania błędów, które pozostały po działaniu HARQ, a także regulowana ilość informacji przesyłanych za pomocą protokołu ARQ.
Interfejs radiowy LTE ma wysoką wydajność dzięki swoim głównym komponentom. Elastyczność wykorzystania widma radiowego umożliwia wykorzystanie tego interfejsu radiowego z dowolnym dostępnym zasobem częstotliwości. Technologia LTE udostępnia szereg funkcji, które umożliwiają efektywne wykorzystanie szybko zmieniających się warunków komunikacyjnych. W zależności od stanu łącza funkcja planowania udostępnia użytkownikom najlepsze zasoby. Zastosowanie technologii wieloantenowych prowadzi do zmniejszenia zaniku sygnału, a za pomocą mechanizmów adaptacji kanałów możliwe jest stosowanie metod kodowania i modulacji sygnału, które gwarantują optymalną jakość komunikacji w określonych warunkach.
