РАДИОИНТЕРФЕЙС LTE В ДЕТАЛЯХ

Эрик Дальман, Андерс Фурускар, Илва Ядинг и др.

Журнал "ИКС" № 01-02 2010 стр. 82

В настоящей статье представлены основные технические характеристики радиоинтерфейса LTE (Long-Term Evolution), недавно одобренного консорциумом 3GPP. Этот радиоинтерфейс обеспечивает беспрецедентные эксплуатационные параметры сети в плане максимальной скорости передачи данных, времени задержки (пересылки пакетов) и спектральной эффективности. Авторы обсуждают такие аспекты LTE, как гибкость использования радиоспектра, мультиантенные технологии, механизм диспетчеризации, адаптация канала, регулирование мощности и организация повторной передачи данных.

Мобильная широкополосная связь, основанная на технологиях высокоскоростной пакетной передачи данных HSPA, уже получила широкое признание со стороны пользователей сотовых сетей. И тем не менее необходимо дальнейшее совершенствование их обслуживания, например посредством увеличения скорости передачи данных, уменьшения времени задержки (пересылки пакетов) и даже увеличения общей емкости сети, поскольку требования пользователей к услугам мобильной широкополосной связи будут повышаться. Именно с этой целью консорциум 3GPP и специфицировал радиоинтерфейсы HSPA Evolution и LTE.

По сравнению с ранее разработанными системами 3G радиоинтерфейс LTE обеспечивает улучшенные технические характеристики, включая максимальную скорость передачи данных более 300 Мбит/с, время задержки пересылки пакетов менее 10 мс, а также значительно более высокую спектральную эффективность. Системы LTE можно будет задействовать как в новых, так и в уже имеющихся у операторов частотных полосах.

Радиоинтерфейс LTE позиционируется в качестве решения, на которое операторы будут постепенно переходить с нынешних систем стандартов 3GPP и 3GPP2, а его разработка является важным этапом в процессе создания стандарта IMT-Advanced (на сети 4G). Фактически спецификация LTE уже содержит большую часть функций, изначально предназначавшихся для систем 4G.

Основы организации радиоинтерфейса

Характерная особенность радиосвязи заключается в том, что качество радиоканала не постоянно во времени, пространстве и зависит от частоты. Здесь стоит упомянуть и об относительно быстрых изменениях параметров связи в результате многолучевого распространения радиоволн. Таким образом, качество радиоканала зависит от характеристик отраженных радиоволн (рис. 1). С целью поддержания постоянной скорости обмена данными по радиоканалу традиционно используется ряд способов сведения к минимуму таких изменений (разные методы разнесенной передачи). В то же время при передаче пакетных данных конечные пользователи не всегда замечают кратковременные колебания битовой скорости. В связи с этим одним из основополагающих принципов радиодоступа в системе LTE является не уменьшение, а использование быстрых изменений качества радиоканала, с тем чтобы обеспечить более эффективное применение доступных радиоресурсов. Это осуществляется во временной и частотной областях с помощью технологии радиодоступа OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing).

В основу организации нисходящего (downlink) радиоканала LTE положена обычная технология OFDM с передачей данных по ряду узкополосных поднесущих. Использование последних в сочетании с циклическим префиксом делает связь на основе OFDM устойчивой к временной дисперсии параметров радиоканала и фактически исключает необходимость задействовать сложный эквалайзер на приемной стороне. Указанное обстоятельство очень полезно для организации нисходящего канала, поскольку в данном случае упрощается обработка сигнала приемником на основной частоте, что, в свою очередь, снижает стоимость терминального устройства и потребляемую им мощность. И это приобретает особенно большое значение в случае применения широкополосных радиоканалов LTE вместе с многопоточной передачей.

В восходящем (uplink) канале, где излучаемая мощность значительно ниже, чем в нисходящем, крайне важно задействовать энергоэффективный метод передачи информации с целью увеличения зоны покрытия, снижения стоимости терминального устройства и потребляемой им мощности. В результате проведенных исследований для восходящего канала LTE была выбрана одночастотная технология передачи информации в виде OFDM с дисперсией по закону дискретного преобразования Фурье (другое название — SC-FDMA). Такое решение обеспечивает меньшее отношение максимального и среднего уровней мощности по сравнению с использованием обычной модуляции OFDM, в результате чего повышается энергоэффективность терминальных устройств и упрощается их конструкция.

Базовый радиоресурс при передаче информации по технологии OFDM можно представить в виде частотно-временной сетки, соответствующей набору OFDM-символов и поднесущим в ча-стотной и временной областях. В технологии LTE основным элементом передачи данных являются два ресурсных блока, соответствующие полосе частот 180 кГц и временному интервалу (передачи части кадра) длительностью 1мс (см. рис. 1). Таким образом, объединяя частотные ресурсы и настраивая параметры связи, включая выбор порядка (order) модуляции и скорость канального кодирования, можно гибко реализовывать широкий диапазон скоростей передачи даных.

Основные технические характеристики

Для достижения высоких целевых показателей, установленных для радиоинтерфейса LTE, его разработчики реализовали ряд важных технических характеристик, или функциональных возможностей. Ниже мы опишем их с указанием на то, как они влияют на такие ключевые показатели, как зона радиопокрытия, емкость сети, скорость передачи данных и время задержки.

Гибкость использования радиоспектра

В зависимости от законодательных норм, действующих в том или ином географическом регионе, для организации мобильной связи радиоспектр выделяется в разных диапазонах частот парными или непарными полосами разной ширины. Одной из основных характеристик радиоинтерфейса LTE, позволяющей задействовать его в разных ситуациях с радиочастотным обеспечением, является гибкость использования радиоспектра.

Наряду с возможностью работать в разных диапазонах частот система LTE способна использовать частотные полосы разной ширины: от 1,25 (подходит, например, для начала перехода с систем CDMA 2000 1xEV-DO) до приблизительно 20 МГц. Кроме того, система LTE способна функционировать в парных и непарных частотных полосах, поддерживая частотный (FDD) и временной (TDD) виды дуплекса соответственно.

Что касается терминальных устройств, то при использовании парных полос частот, устройство можно задействовать в полудуплексном или дуплексном режиме. Первый режим, в котором терминал передает и принимает данные на разных частотах и в разное время (рис. 2), привлекателен тем, что позволяет значительно понизить требования к характеристикам дуплексного фильтра. Это, в свою очередь, способствует уменьшению стоимости терминальных устройств. Кроме того, появляется возможность задействовать парные частотные полосы с небольшим дуплексным разносом. Таким образом, LTE-решение можно реализовать почти при любом распределении спектра частот.

Единственная проблема при разработке технологии радиодоступа, в которой предусмотрено гибкое использование радиоспектра, — обеспечение совместимости устройств связи. С этой целью в технологии LTE в случае применения частотных полос разной ширины и разных режимов дуплекса (FDD или TDD) реализована идентичная структура кадра.

Многоантенная передача информации

Использование многоантенной передачи информации в системах мобильной связи улучшает технические характеристики последних и расширяет их возможности в плане обслуживания абонентов. В технологии LTE предусмотрены два метода многоантенной передачи: разнесенная (transmit diversity) и многопоточная (с предварительным кодированием), частным случаем которой является формирование узкого радиолуча.

Посмотрев на представленные на рис. 1 графики замирания сигналов двух пользователей, можно оценить уровень сигнала, принимаемого одним пользователем от двух передающих антенн. Таким образом, разнесенную передачу следует рассматривать как способ выравнивания уровня сигнала, идущего с двух антенн, ведь при этом устраняются глубокие провалы в уровне сигналов, принимаемых от каждой из антенн в отдельности.

В LTE разнесенная передача основана на методе пространственно-частотного блочного кодирования (SFBC), дополненного разнесением по времени со сдвигом частоты (FSTD) при использовании четырех антенн. Разнесенная передача применяется в основном на общих нисходящих каналах, в которых нельзя использовать функцию диспетчеризации в зависимости от состояния канала связи (channel-dependent scheduling). Однако разнесенную передачу можно задействовать для пересылки пользовательских данных — например, трафика VoIP. Относительно низкая интенсивность такого трафика не оправдывает дополнительных накладных расходов, связанных с вышеупомянутой функцией диспетчеризации. В общем и целом разнесенная передача повышает емкость сети и радиус сот.

При многопоточной передаче для одновременной пересылки нескольких потоков данных по одному и тому же радиоканалу используют несколько передающих и приемных антенн (на базовой станции сети и в терминальном устройстве соответственно). Это значительно повышает максимальную скорость передачи данных. Например, при установке четырех антенн на базовой станции и такого же числа антенн в терминальном устройстве (на приемной стороне) можно одновременно пересылать до четырех потоков данных по одному и тому же радиоканалу, фактически увеличивая его пропускную способность в четыре раза.

В сетях с небольшой рабочей нагрузкой или маленькими сотами многопоточная передача позволяет добиваться очень высокой пропускной способности радиоканалов и эффективнее использовать радиоресурсы. В случае же с большими сотами и весьма интенсивной нагрузкой качество канала не дает возможности использовать многопоточную передачу. Тогда с целью повышения качества сигнала несколько передающих антенн целесообразнее задействовать для формирования узкого луча при передаче одного потока данных.

Подводя итог вышесказанному, можно заключить, что для достижения хорошего качества работы сети при разных условиях эксплуатации в технологии LTE реализована адаптивная многопоточная передача, при которой число одновременно пересылаемых потоков данных может постоянно регулироваться в соответствии с переменчивым состоянием канала связи. Если состояние канала очень хорошее, можно одновременно пересылать до четырех потоков данных, достигая тем самым скорости их передачи до 300 Мбит/с при ширине занимаемой полосы частот 20 МГц.

При не столь благоприятном состоянии канала передается меньшее число потоков. В этой ситуации антенны частично используются для формирования узкой диаграммы направленности, что повышает общее качество приема и, как следствие, увеличивает пропускную способность системы и расширяет зону обслуживания. Для обеспечения обширной зоны радиопокрытия или высокой скорости передачи данных на границе сот можно передавать один поток данных в узком луче или задействовать разнесенную передачу на общих каналах.

Механизм диспетчеризации и адаптация канала связи

Под диспетчеризацией понимается процесс распределения сетевых ресурсов между пользователями, передающими данные. В технологии LTE предусмотрена динамическая диспетчеризация в восходящем и нисходящем каналах.

Целью диспетчеризации является сбалансированность качества связи и общей производительности системы. В радиоинтерфейсе LTE реализована функция диспетчеризации в зависимости от состояния канала связи. Она обеспечивает передачу данных на повышенных скоростях (за счет использования модуляции более высокого порядка, уменьшения степени кодировки каналов, передачи дополнительных потоков данных и меньшего числа повторных передач), задействуя для этого временные и частотные ресурсы с относительно хорошими условиями связи. Таким образом, для передачи любого конкретного объема информации требуется меньше времени. На рис. 1 показано, как меняется состояние радиоканалов у двух пользователей при быстрых замираниях радиосигнала. Частотно-временная сетка OFDM помогает выбирать ресурсы в частотной и временной областях.

Для трафика сервисов, пересылающих пакеты с небольшой полезной нагрузкой и через одинаковые промежутки времени, объем трафика сигнализации, необходимой для динамической диспетчеризации, может превышать объем переданной пользователем информации. Поэтому в LTE также имеется функция статической диспетчеризации (в дополнение к динамической). Под статической диспетчеризацией понимается выделение пользователю радиочастотного ресурса для передачи определенного числа подкадров.

Механизмы адаптации канала нужны для того, чтобы «выжать все возможное» из канала с изменяющимся качеством связи. Такой механизм «выбирает» схемы модуляции и канального кодирования в соответствии с условиями связи. От его работы зависят скорость передачи данных и вероятность возникновения ошибок в канале.

Регулирование мощности в восходящем канале

Речь идет об управлении уровнем излучаемой терминалами мощности для того, чтобы увеличить емкость сети, расширить зону радиопокрытия, повысить качество связи и снизить энергопотребление. Для достижения перечисленных целей механизмы регулирования мощности, как правило, добиваются максимального увеличения уровня полезного принимаемого сигнала при одновременном снижении уровня радиопомех.

Сигналы в восходящем канале LTE являются ортогональными, а значит, взаимные радиопомехи между пользователями одной соты отсутствуют — по крайней мере, при идеальных условиях радиосвязи. Уровень помех, создаваемый пользователям соседних сот, зависит от местоположения излучающего мобильного терминала, а точнее, от уровня затухания его сигнала на пути к этим сотам. Вообще говоря, чем ближе терминал к соседней соте, тем выше уровень создаваемых им помех в ней.Соответственно терминалы, находящиеся на более далеком расстоянии от соседней соты, могут передавать сигналы большей мощности, чем терминалы, расположенные рядом с ней.

Ортогональность сигналов в восходящем канале LTE позволяет мультиплексировать сигналы терминальных устройств разной мощности в этом канале в одной и той же соте. Это означает, что вместо компенсации всплесков уровня сигнала, возникающих вследствие многолучевого распространения радиоволн (путем снижения излучаемой мощности), их (всплески) можно использовать для увеличения скорости передачи данных посредством механизмов диспетчеризации и адаптации канала связи.

Повторная передача данных

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 радиоресурсы. Для максимально полного использования высокоскоростного радиоинтерфейса 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.

Основные компоненты радиоинтерфейса LTE определяют его высокие рабочие характеристики. Гибкость использования радиоспектра (возможность работы в режимах FDD и TDD в разных диапазонах частот и полосах частот разной ширины) позволяет задействовать этот радиоинтерфейс почти при любом доступном частотном ресурсе.

В технологии LTE предусмотрен ряд функций, обеспечивающих эффективное использование быстро меняющихся условий радиосвязи. Функция диспетчеризации в зависимости от состояния канала выделяет пользователям лучшие ресурсы. Многоантенные технологии уменьшают замирание сигнала, а механизмы адаптации канала задействуют такие методы модуляции и кодирования сигнала, которые гарантируют наилучшее качество связи в конкретных условиях. В восходящем канале связи механизм регулирования мощности позволяет достичь высокого качества сигнала и бороться с взаимными помехами.

Активное применение перечисленных выше функций стало возможным благодаря сочетанию механизмов быстрой повторной передачи данных и комбинирования переданных данных с инкрементальной избыточностью.