Hindawi Publishing Corporation

EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking Volume 2009, Article ID 354089, 10 pages doi:10.1155/2009/354089

Исследовательская статья

На пути к 4му поеолению:3GPP LTE и LTE-Advanced

Автор:

Дэвид Мартин-Сэкристэн, Хосе Ф. Монтсеррат, Хорхе Кабрехас-Пефтуелас, Даниэль Кэлэбуиг, Сальвадор Гарригас, и Нарцис Кардона

Автор перевода:

Запорожченко В.В.

Источник:

http://www.hindawi.com/journals/wcn/2009/354089.html

Long-Term Evolution (LTE) новый стандарт, который в настоящее время специфицируется комитеттом 3GPP, находится на путик 4-му поколению мобильной связи. В этой статье рассмотрены главные технические особенности этого стандарта, с точки зрения пиковой скорости передачи битов и средней пропускной способности ячейки. LTE подразумевает большое технологическое усовершенствование по сравнению с предыдущим 3G стандартом. Однако,в статье также показано, что работа LTE не выполняет технические требования, установленные ITU-R, необходимые для классификации радио-технологии доступа в качестве члена IMT семьи стандартов. По средством оптимизаци новых радио-методов доступа и дальнейшее развитие системы, 3GPP устанавливает фонды будущего LTE-Advanced стандарта, 3GPP кандидат на 4G. Эта статья предлагает краткое понимание этих технологических тенденций.

Введение

Раньше, развитие технологии в мобильных коммуникациях главным образом мотивировалосьо тремя причинами: (1) глобализация рынка и либерализация и увеличивающаяся компетентности среди продавцов и операторов, приезжающих от этой новой структуры, (2) популяризация IEEE 802 беспроводных технологии в пределах мобильного сектора коммуникаций и, наконец, (3) показательное увеличение требований на продвинутые телекоммуникационные услуги.

Относительно последнего пункта, подразумеваются приложения, которые будут поддерживаться текущими и будущими сотовыми системами включая Голос по IP (VoIP), видеоконференции, push-to-talk в стотовой сети (PoC), мультимедийная передача сообщений, игры мультиигрока, аудио и видео по запросу, Виртуальные Частные Сети (VPN) связи, просмотр сети, доступ электронной почты, Протокол Передачи файлов(FTP). Все эти приложеия могут быть классифицированы несколькими способами, основанными на Качестве Обслуживания (QoS), которые они требуют. Некоторые из них, приложения реального времени и чувствительны к задержке, как голос и видеоконференция, в то время как некоторые другие требуют целостности, высокой скорости передачи данных, и чувствительны ко времени ожидания (как VPN и FTP).

Одновременная поддержка приложений с различными требованиями QoS - одна из самых важных проблем в сотовых сетях. В то же самое время новые широкополосные сотовые системы разаработаны с высокой спектральной эффективостью, учитывая дефицит спектра.

Увеличивающаяся потребность рынка и огромная экономическая выгода, вместе с новыми проблемами, которые возникают с требованиями в более высокой спектральной эффективности и наличии услуг, увеличивающейся потребности приобретать новые частотые каналы, приводит к тому, что мобильные системы коммуникаций вынуждены искать выход. Вот почему ITU-R WP 8Fв октябре 2005 года начал разработку будующего стандарта 4G, также известого как International Mobile Telecommunications (IMTs) Advanced, основываясь на модели глобального стандарта 3G, IMT-2000. Целью данной инициативы является определение набора требований с точки зрения мощности передачи и повышение качества обслуживания, таким образом, что если определенные технологии выполняет все эти требования она включается в набор стандартов IMT-Advanced. Это во-первых одобряет разработку технологий и стимулирует операторов инвестировать в них, но кроме того, позволяет использовать частотные полосы , специально предназначенных для IMT-Advanced, что влечет за собой огромную мотивацию для операторов мобильной связи, чтобы увеличить перечень предлагаемых услуг и пропускную способность.

Путь IMT-Advanced был офицально начат в марте 2008 года, когда было разослано офицальное письмо с просьбой о предоставлении новых предложений о технологии. [1]. До этого на официальном съезде, коммитета 3GPP учредили стандарт Long Term Evolution (LTE), как текущую задачу создать основу для эволюции в 3GPP радиотехнологий, конкретно UMTS, к 4G.3GPP разделил эту работу на два этапа: первый касается завершения первого LTE стандарт (Release 8), а второй намерен адаптировать LTE к требованиям 4G через спецификации новой технологии под названием LTE-Advanced (Release 9 и 10). После этого плана в декабре 2008 3GPP утверждил спецификацийю LTE Release 8, которая охватывает Evolved UTRAN (E-UTRAN) и Evolved пакетов Core (EPC). Исследоваие по LTE-Advanced было начато в мае 2008 года, ожидалось его завершения в октябре 2009 года в соответствии с графиком МСЭ-R для процесса IMT-Advanced. В то же время научное сообщество былопризвано для оценки эффективности деятельности окончательного стандарта LTE Release 8.

На сегодняшний день эта оценка была сделана только частично по одной из этих двух причин. Во-первых, некоторые сосредоточены только на физическом уровне, а именно на ретрансляции и процессе коррекции ошибок [2-4]. Но системный аализ урвня MAC, производительность информации и не может быть осуществлено только на физическом уровне. Во-вторых, другие документы оценки работы сети радиодоступа LTE предполагают идеальную оценку канала, в результате чего получаются оптимистичные оценки LTE [5-7].

Эта статья описывает главные особенности LTE Release 8 и оценивает работу уровня связи LTE цепь передачи, включая HARQ и расшифровку турбо. Кроме того, способность систем LTE проанализирована с точки зрения максимально достижимой пропускной способности и полного распределения сот при обычном сценарии. Эти исследования позволяют иметь общее представление на преимуществах и возможностях нового стандарта. Наконец, эта статья предлагает краткий обзор текущих тенденций исследования, сопровождаемых 3GPP в процессе определения LTE-Advanced.

2. LTE

Рабочие группы 3GPP RAN начали стандартизацию LTE/EPC в декабре 2004 с технико-экономического обоснования для UTRAN и для IP EPC. В декабре 2007 все функциональные спецификации LTE были закончены. Кроме того, EPC функциональные спецификации достили уровня, чтобы взаимодействовать с 3GPP и сетями CDMA.

2.1 LTE Технические требования.

3GPP сформулировал в Realise 8 требования, которым должны отвечать стеи UTRAN. Некоторые требований определяются в абсолютной форме, другие требования определяются по отношению к производительности UTRAN. Стоит отметить, что по базовым UTRA считается Realese 6 HSDPA со схемой 1x1 по нисходящему каналу и Realese 6 HSUPA со схемой 1x2 в восходящем канале. Для сравнения, в LTE это передача осуществляется с использованием 2x2 антенн в нисходящему каналу и 1x2 антенн в восходящем канале.

Цели разработки стандарта LTE

1. Система должна поддерживать пиковую скорость передачи данных 100 Мбит/с в нисходящем и 50 Мбит/с в восходящем в 20 МГц или, что эквивалентно, спектральные значения эффективности 5 бит/сек/Гц и 2,5 бит/с/ Гц, соответственно. Базовая линия считает, 2 антенны в УП по нисходящему каналу и до 1 антенна в УП для восходящем канале.
2. В нисходящем и восходящемканлах, пропускная способность каждого пользователя при 5% точки CDF, от 2 до 3 раз выше Выпуск 6 HSPA.

3. В нисходящем канале усредненная пропускная способность каждого пользователя , от 3 до 4 раз выше Выпуска 6 HSDPA. В Восходящем канале усредненная пропускная способность каждого пользователя, 2 до 3 раз в выпуске 6.
4. Спектральая эффективность от 3 до 4 раз выше Выпуска 6 HSDPA в канале нисходящей связи и 2 до 3 раз в выпуске 6 HSUPA в восходящем канале, в загруженной сети.
5. Мобильность выше до 350 км/ч.
6. Спектральная гибкость, без стыковки с предыдущими технологиями and уменьшение стоимости и сложности системы в целом.

2.2 LTE Release 8 Технический обзор.

Технология была включена в спецификации, чтобы отвечать этим требованиям, сочетания новой системной архитектурой, а также расширение доступа в радиоканале.

2.2.1. Архитектура

Существуют различные типы функций в сети сотовой связи. На их основе сети можно разделить на две группы: сети радио доступа и опорный сети. Такие функции, как модуляция, сжатие заголовка и передача принадлежат сетям доступа, в то время как другие функции, такие как зарядка или мобильность управления являются частью базовой сети. В случае LTE, сети радио доступа E-UTRAN и опорной сети EPC.

Сети радиодоступа

Сети радиодоступа LTE называется E-UTRAN и одной из ее основных особенностей является то, что все услуги, в том числе в режиме реального времени будут поддерживаться на основе пакетной передачи. Такой подход позволяяет достичь большей спектральной эффективности, которая выльется в большую производительность системы по отношению к текущей UMTS и HSPA. Важным следствием использования пакетного доступа для всех сервисов является лучшая интеграцию между всеми мультимедийными услугами и между беспроводной и фиксированной связью.

Основной идеей LTE является минимизация количества узлов. Поэтому разработчики выбрали одно-узловую архитектуру. Новая базовая станция сложнее, чем Node B в WCDMA / HSPA сети радиодоступа, и, следовательно, называется ENB. ENBs имеют все необходимые функциональные возможности для LTE сети радиодоступа в том числе функции, связанные с радио-ресурсом.

Ядро сети

Новае ядро сети - получившее радикальное развитие, ядро сетей третьего поколеия, покрывающее только пакетную область. Поэтому у этого есть новое название: Evolved Packet Core.

Следуя той же философии,что и E-UTRAN, число узлов уменьшается. EPC делит ппотоки пользовательских данных на управляющую и плоскость данных . Для каждой плоскости определяется конкретный узел плюс общий шлюз, который соединяет LTE сети Интернет и другие системы. EPC включает в себя несколько функциональных подразделений.

1. MME (объкт управления мобильностью): отвечает за контроль плоскости функций, связанной с управления сеансами абонентов.
2. SGW (cлужебный шлюз) - это узловая точка границы пакетной передачи данных в направлении E-UTRAN. Кроме того, он действует как маршрутизатор узла по отношению к другим 3GPP технологий.
3. PDN Gateway (Шлюз пакетной передачи данных ): это оконечное устройство по отношению к внешней сети пакетной передачи данных. Кроме того, маршрутизатор к сети Интернет.
4. PCRF - контроль тарифов и решений IP Multimedia Subsystem (IMS), конфигурация каждого пользователя.

Общая структура сети LTE показана на Рисунке 1.

2.2.2. Основные положения радио доступа

Наиболее важные технологии, включенные в новую сеть радиодоступа:

- OFDM Ортогональная модуляция с частотным разделеием, многомерное (время, частота) динамическое распределения ресурсов и адаптация.

- Multiple Input Multiple Output (MIMO) многоантенная передача,

- турбо-кодирования и гибридный автоматический запрос повтора (ARQ)

Эти технологии ббудут освещены в следующих пунктах.

OFDM. Orthogonal Frequency Division Multiplexing является своего рода несущими метод передачи с относительно большим количеством поднесущих. OFDM предлагает множество преимуществ. Во-первых, с помощью техники многократной передачи несущей, символ времени может быть существенно больше.

Чем распространение задержки канала, которое уменьшает значительно или даже удаляет вмешательство межсимвола (ISI). Другими словами, OFDM обеспечивает высокую надежность против частоты отборное исчезновение. Во-вторых, из-за его определенной структуры, OFDM учитывает выполнение низкой сложности посредством Быстрого Fourier, Преобразовывают (FFT) обработку. В-третьих, доступ к область частоты (OFDMA) подразумевает высокую степень offreedom на планировщика. Наконец, это предлагает гибкость спектра который облегчает гладкое развитие от уже существующих радио-технологий доступа до LTE.

При использовании метода FDD LTE каждый символ OFDM передается по поднесущим 15 или 7.5 кГц. Один подкадр длится 1 миллисекунду, разделенную на 0.5 миллисекунды, и содержит несколько последовательных символов OFDM (14 и 12 для 15 и 7.5 кГц, resp.)

В восходящем канале используется SC-FDMA, а не OFDM. SC-FDMA также известна как DFT-spread модуляция OFDM. В основном, SC-FDMA идентична OFDM, если не применять начальный FFT перед модуляцией OFDM. Цель такой модификации состоит в том, чтобы уменьшить пик, уменьшить среднюю мощност передачи, таким образом уменьшаясь расход энергии в пользовательских терминалах.

Multidimensional Dynamic Resource Allocation and Link Adaptation.В LTE, как в восходящем и нисходящем канале передачи может применяться меньше, неперекрывающихся частотных диапазонов для различных пользователей, используя при этом частотное разделение каналов (FDMA). Это распределение может быть динамически скорректировано во времени и называется планированием. Таким образом, ресурсы LTE могут быть представлены в виде частотно-временной сетки . Второстепенным элементом этой сетки является ресурс элементов и состоит из 1 поднесущей на OFDM символ. минимальны блок распределения частотного ресурса для LTE, это блок один слот которого входит 12 поднесущих.

Адаптация связи тесно связана с планированием и установкой параметров радио передачи управляющимим качеством радио-связи. Это достигается с помощью адаптивного канального кодирования LTE и адаптивной модуляции. В частности, в LTE доступны модуляции QPSK, 16QAM и 64QAM, в то время как скорость кодирования может принимать значения от нижнего края около 0,07 до 0,93.

MIMO.Одним из наиболее важных средств для достижения высокой скорости передачи данных для LTE является многоантенная передача. В нисходящем канале поддерживается 1, 2 или 4 передающие антенны в ENB и 1, 2 или 4 приемных антенн в ЕС. Несколько антенн могут быть использованы по-разному: для получения дополнительного приема / разнесенная передача или для получения пространственного мультиплексирования увеличение скорости передачи данных путем создания нескольких параллельных каналов, если условия позволяют. Тем не менее, в восходящем LTE, хотя одина, 2 или 4 приемных антенны разрешены в ENB, только одна передающая антенна допускается в ЕС. Таким образом, несколько антенн может быть использован только для получения разнесенного приема.

Turbo Coding.Канальное кодирование используется в целях исправления ошибок, внесеных в канал шумом. В случае нисходящего канала используется общеий (DL-SCH) турбо-кодера со скоростью 1 / 3 , после чего можно адаптировать скорость кодирования до желаемого уровня. В каждом подкадре от 1 мс,кодовых слов могут быть закодированы и переданы 1 или 2 кодовых слова (мультикодовых слов MIMO).

Hybrid ARQ with Soft Combining.Гибридная ARQ техология сглажеым комбинированием , которая занимается ретрансляцией данных в случае ошибки. В схеме ARQ, приемник использует кодер обнаружения ошибки, чтобы проверить содержит ли ошибкуполученный пакет. Передатчик отвечает NACK или ACK соответственно. В случае NACK, пакет передается повторно.

Сочетание прямого исправления ошибок (FEC) и ARQ известено как гибридный ARQ. Большинство практических гибридов ARQ схемы строятся вокруг CRC кода для обнаружения ошибок и турбокода для исправления ошибок, так и в случае LTE.

В гибридных ARQ со сглаживанием, ошибочно принятый пакет сохраняется в буфере, а затем испоьзуя ретрансляциию, получают единый пакет, который является более надежным, чем его составляющие. В LTE применяется ошаговый избыточный алгоритм (IR), это означает, что пакеты переданые повторно, как правило, не совпадает с первой передачей,а несут дополнительную информацию.

2.3. Анализ эффективности LTE.

Для оценки эффективности работы мобильных технологий могут быть использованы различные методы. Каждый метод лучше всего подходит для конкретный вид оценки эффективности. Например, аналитические методы подходят для оценки максимума скорости передачи данных или пика спектральной эффективности. Однако более глубокий анализ производительности требует использования моделирования. Симюляторы, как правило, разделены на два класса: моделирование канального уровня и моделирование системного уровня. Моделировня каального уровня (Link level simulators) используются для эмуляции передачи информации от одного передатчика к одномууникальный приемник на физическом уровне с высокой точностью.Они включают в себя модели для кодирования/декодирования, обработки MIMO, скремблирования, модуляции, оценки канала и выравнивания, и так далее. Симуляторы системного уровня (System level simulators) моделируют работу сети с нескоькими сотами и несколькими пользователями на одну сооту. В такого рода симуляторах,включены функций более высокого уровня для управления вызовами, приема, планирования, управления питанием и т. д., а канал на системном уровне модели используется для облегчения эмуляцию каждого радиоканала. В данном разделе представлены некоторые результаты, полученные от обоих типов симуляторов.

Комитетом 3GPP и его партнерами, входящими в это комитет, была проведена оценка эффективности сетей LTE. Эта оценка позволяет получить представление, в какой степени LTE означает революцию по сравнению с UMTS. Как показано в следующем разделе, результаты показывают, что эта технология является весьма близкой к требованиям, установленным для четвертого поколения мобильной связи, хотя дальнейшее улучшение ожидается в LTE-Advanced.

2.3.1. Максимальная спектральная эффективность

Максимальняа спектральная эффективность является самым высоким теоретическим уровнем скорости передачи данных отнесен к одному мобильному пользователю в ситемах с распределленой полосой пропускания. Высокая скорость передачи данных рассчитывается как получил бит данных предполагая безошибочной условиях и без радио ресурсов, которые используются для управления вопросами охраны и групп. В конце концов, технологии радиодоступа классифицируется как более или менее мощным по достижимой эффективности, что делает этот измерений идеально подходит для сравнительных целей.

Для полосы пропускания 20 МГц максимально достижимая скорость в нисходящем каале являются: 91,2 Мбит/с для SIMO 1x2, 172,8 Мбит/с для MIMO 2x2 и 326,4 Мбит/с для MIMO 4x4. Максимальная спектральная эффективность составляет 4,56, 8,64 и 16,32 б/с/Гц для рассмотренных вариантов многоантенной предачи. Эти значения были рассчитаны с учетом верхних реальных границ эталонных сигналов и полагая, что управляющий сигнал авен 1 OFDM символу в каждой поднесущей. В восходящем канале с SIMO 1x2 максимально достижимая скорость 86,4 Мбит/с для полосы пропускания 20 МГц. Таким образом,максимальная спектральная эффективность 4,32 б/с/Гц. Эти значения были рассчитаны исходя из предположения что 2 OFDM символа занимают эталонный сигнал. Оба расчета для восходящегои нисходящего каналов были сделаны для случаев применения модуляции 64QAM и скорости кода равной 1.

Рассчитанные максимумы спектральной эффективности для LTE изображены на рисунке 2 для нисходящего и восходящего каналов вместе с графиками для UMTS Выпуск 6, в том числе HSDPA и HSUPA. Из этого графика спектарльной эффективности видно, что LTE на 20 Мгц превышает первоначальные цели по скорости : 100 Мбит/с в нисходящем канале и 50 Мбит/с в восхожящем канале. Кроме того, даные реультаты доказывауют, что в сравнении с UMTS LTE - важный шаг вперед в мобильной радиосвязи. Благодаря дост тижению таки скоростей передачи данных мобильные системы смогут дать пользователю возможость работы с более тербовательными приложениями.

2.3.2. Производительность канального уровня LTE.

На основании моделирования канального уровня, можно оценить соотношение между эффективностью пропускной способности (количество правильно принятых бит в единицу времени) и отношением сигнал/шум (SINR). При моделированииоценки для этой статьи использовалась 10 МГц полоса пропускания для нисходящего и восходящего каналов. Эта пропускная способности эквивалентна 50 LTE блокам частотного ресурса. Оценка была сосредоточена на проверке работы для пешеходных пользователй, поэтому модель ползовательской мобильности была расширеа А-моделью [14] с доплеровской частотой 5 Гц. Центральная частота была установлена в 2,5 ГГц,наиболее благприятную полосу для первоначального развертывания LTE. Настройки модуляции и схемы кодирования были выбраны из CQI таблицы, содержащейся в LTE характеристиках [15]. Эти настройки были выбраны для покрытия 3GPP LTE с диамическим границами SINR с шагом аппроксимации 2дБ между последовательными кривыми. Отличие данного исследования от других, состоит в том, что оценка канала была реально рассчитана для приемников. Для того, чтобы использовать многоантенную конфигурацию на стороне приемника, было рассмотрено выравнивание и подстройка минимума СКО (MMSE). Остальные параметры моделирования приведеы в Таблице 1.

Таблица 1: Параметры моделирования.

Общие параметры
Полоса пропускания		10 МГц (50 RB)
канал		Tapped delay line: EPA with 5 Hz Doppler frequency at link level, ETU at system level
Несущая частота		2.5 ГГц
MCS		CQI 1-15
Схема многантеннной передачи	DL	SIMO 1x2, MIMO 2x2/4x4
	UL	SIMO 1x2/1x4
Управляющий канал	DL	2 OFDM символа на подкадр
	UL	не поддерживается
Параметры системного уровня
ISD		500 m
Развертывание сот		3-секторная сота, reuse 1
Потери		130.2+37.6log10(d(km))дБ
Shadowing		lognormal,СКО=8dдБ
мощность передачи eNB		46 дБм

Для нисходящего канала были соделированы различные конфигурации многоантенной передачи, в том числе SIMO 1x2, MIMO 2x2, MIMO и 4 x 4. Схема моделирования MIMO следует после открытой схемы пространственного мультиплексирования, как и рекомендованно в спецификациях 3GPP [16], число кодовых слов 2, а число уровней равно числу передающих антенн, то есть, 2м и 4м. Кроме того, кратные каналы между антенн были коррелированы. Бsk учтен канал управления, следовательно, первые два OFDM символов в каждом подкадре были зарезервированы для управления каналов. Были учтены сигналы канального уровня в деталях, но не были рассмотрены ни передача бродкастовой информации ни передача сигалов синхронизации.

В восходящем канале были рассмотрены две различные конфигурации многоантенной пердачи: SIMO 1x2 и SIMO 1x 4. Кратные каналы между антеннами должны были быть некоррелированныхтакже как и восходящем канале. На сегодняшний день стандарт LTE не поддерживает MIMO в восходящем канале, поэтому схема MIMO не моделировалась. Было учтено однокодовое слово, как это и предусмотрено в характеристиках 3GPP[17].Кроме того, 12 из 14 доступных символов SC-FDMA в подкадрах были зарезерервированы под зашифрованую информацию, остальные 2 были зарезервированы для эталонных сигналов, необходимых для оценки канала в приемнике.

Настройки моделирования проволились с учетом этих предположений и параметров, результаты моделирования приведены на Рис.3 для нисходящего канала LTE и на Рис. 4 для восходящего канала.

На обоих рисунках можно заметить, что максимальная пропускная способность не равна максимумам расчитаным ранее. Причина можно объяснить так: - использовалась полоса пропускания не 20 МГц, а 10 МГц, - использовалась скорость кодирования 0,93 вместо 1 - управляющие сигналы в нисходящем канале принимались равыми 2 OFDM символам, а не 1.

В соответствии с результатами, приведенными на рисунке 3, в нисходящем канале, схема 4x4 MIMO дает гораздо лучшую производительность, чем другие схемы для почти всех полезных границ SINR. Тем не менее,схема 2x2 MIMO не обеспечивает улучшение хаоактеристик до тех пока SINR достигает величины 15 дБ. Кроме того, можно наблюдать, что фактор улутшения максимальной пропускной способностиза счет применения схемы MIMO далеко не равен числу антенн (2 или 4). Вместо этого максимальная пропускная способность умножается на 1,7 и 3,6 при применении MIMO 2x2 и MIMO 4x4 соответственно. Улучшение происходит в основном за счет повышения числа эталонных сигналов, необходимых в системах MIMO.

В восходящем канале LTE, не происходит улучшения максимума пропускной способности при использовании большего количества антенн приемника. Но SINR может быть улучшео.Этот выигрыш составляет около 5 дБ для пропускной способности 20 Мбит/с. Отметим, что в SIMO 1x4 максимальная скорость достигается на 10 дБ раньше, чем в SIMO 1x2.

2.3.3. Производительномть системного уровня LTE

Анализ производительносьт LTE на системном уровне, требует определения статистики на системном уровне. Также важны спектральная эффективность соты и границы спектальной эффективности для пользователей в сотах. Учитывая многопользовательский/многосотовый сценарий, спектральная эффективность соты определяется как суммарная пропускная способность всех пользователей (количество правильно принятых бит в течение определенного периода времени), нормированная общей пропускную способность и отненсенная к количеству вот. В том же сценарии, границы спектарльной эффективности для пользователей в сотах пользователь ячейки края спектральной эффективности на 5% больше CDFпользовательской пропускной способности отненсенной к общей пропускной способности.

Для вычисления этих значений в нисходящем канале,была использована динамическая модель системного уровня. Основные параметры используемые при моделировании данного сценария приведены в таблице 1 . Сценарий похож на "Case 1" сценарий в источике [9]. Основные отличия в этой оценке, состоят в том, что канал был реализован с использованием линейной модели задаржки и низкой корреляцией между каналами. Была использована спецификация ETU [14]. Планировщик операции реализован как предложено в источнике [18], в котором алгоритм планирования состоит из двух частей: 1) во временной области 2)в частотной области. Для обеих областей был использован пропорциональной подход.

С использованием предлагаемого подхода, была получена средняя спектральная эффективность соты в нисходящем канале 1,52 бит/с/Гц/соту для SIMO 1x2, 1,70 бит/с/Гц/на соту для MIMO 4x4. Границы спектральной эффективности для пользоватеелй соты составляют 0,02 бит/с/Гц/на пользователя, 0,03 бит/с/Гц/на пользователя и 0,05 бит/с/Гц/на пользователя,для тех же конфигураций антенн. следует обратить внимание, что значения для восходящего канала были взяты из результатов, представленных в спецификациях партнеров 3GPP [12], поэтому для нисходящего канала значения, полученные в этой статье согласуется с результатами 3GPP. Так как требования к LTE были определены по отношению к производительности HSPA, Таблица 2 включает в себя данные HSPA взятые также из [12,13]. После непосредственного анализа результатов, можно сделать вывод , что большинство требований, определенных 3GPP выполняются текущей версией Realise 8 LTE.

Таблица 2: Требования к технической производительности LTE

		Требования LTE TR 25.913	Результаты моделирования LTE
Максимальная скорость передачи (Гбит/с)		0.1	0.172 (2 x2) 0.326 (4x4)
Отклик		C-план<100 ms U-план<5 ms	—
Максимум спектаральной эффективности (бит/с/Гц)	DL UL	5(1x2) 2.5(1x2)	4.56(1x2) 8.64(2x2) 16.32(4x4) 4.32(1x2)
Средняя спектральная эффективность (бит/с/Гц/на соту)	DL UL	EUTRA (2x2)3-4 times HSDPA R6 {0.53} EUTRA (1x2)2-3 times HSUPA R6(1x2){0.33}	1.52(1x2) 1.70(2x2) 2.50 (4x4) 0.73 (1x2)
Границы спектральой пользовательской эффективности в соте (бит/с/Гц/на соту/на пользователя)	DL UL	EUTRA (2x2)2-3 times HSDPA R6 {0.02} EUTRA (1x2)2-3 times HSUPA R6(1x2){0.01}	0.02(1x2) 0.04 (2x2) 0.05 (4x4) 0.02(1x2)
Мобильность		более 350 км/ч	30 км/ч
Полоса пропускания		более 20 Мгц	более 10 МГц

3. LTE-Advanced и 4-е поколение мобильной связи

Процесс определения будущего семейства стандартов IMT-Advanced началась с обращения ITU-R требующего представить возможный Radio Interface Technologies (RITs) и настройки Radio Interface Technologies (SRITs) для IMT-Advanced [1]. Тем не менее, все спецификации, имеющиеся на момент, для IMT-Advanced не имели новых технических деталей, которые отвечали бы свойсвам будущих будущих 4G систем. Вместо этого, они ссылались на Рекомендация M.1645 [19], в которой были нечетко определены цели развития сесейства стандарта IMT-Advanced: дойти до 100 Мбит/с для мобильного доступа и до 1 Гбит/с для стационарного радиодоступа. К сожалению, это не было реализовно до ноября 2008 года, когда были описаны требования к техническим характеристикам для IMT-Advanced интерфейса[20].

Таблица 3: требоывния к IMT-Advanced в срвнении с требованиями к LTE-Advanced.

		Требования ITU-R M.2134	Требования LTE-A TR 36.913
Максимальная скорость передачи данных (Гбит/с)		1	1-(DL) 0.5-(UL)
Отклик		C-план<100мс U-план<10мс	C-план<50мс U-план<5 мс
Максимум спектральной эффективности (бит/с/Гц)	DL UL	15(4x4) 6.75(2x4)	30(8x8) 15(4x4)
Спектральная эффективность соты (бит/с/Гц/на соту)	DL UL	2.2(4x2) 1.4(2x4)	2.4(2x2) 2.6(4x2) 3.7(4x4) 1.2(1x2) 2.0(2x4)
Границы спектральой пользовательской эффективности в соте (бит/с/Гц/на соту/на пользователя)	DL UL	0.06(4x2) 0.03(2x4)/	0.07(2x2) 0.09 (4x2) 0.12(4x4) 0.04(1x2) 0.07 (2x )
Мобильность		более 350 км/ч	более 350 км/ч
Полоса пропускания		более 40 Мгц	более 100 МГц

3.1. Требования к LTE-Advanced

Список требований к спецификации LTE-Advanced был включен в TR 36,913. Хотя ожидается расширение списка, это лишь некоторые из текущих соглашения в отношении требований к LTE-Advanced [21].

3.2. Технические предложения по LTE-Advanced

Release 8 LTE уже может выполнить некоторые требования, предъявляемые к IMT-Advanced систем. Тем не менее, ясно также, что более сложные требования, обсуждаемые в 3GPP, потребуют новых методов радиодоступа и развития системы. В настоящее время рабочие группы 3GPP , в основном RAN1, работает над физическим уровнем, над методами повышения производительностия LTE Realise 8. В этом разделе предлагается краткий обзор некоторых из этих предложений.

Поддержка более широкой полосы пропускания.

Основной особенность LTE-Advanced будет более гибкое использование спектра.

Структура радиоинтерефейса технологии LTE-Advanced определяется использованием более широкой полосой пропускания до 100 МГц, несмежным развертыванием спектра,котрое называют спектр агрегации, а также необходимость гибкого использования спектра.

FDM предоставляет простые средства для увеличения пропускной способности: добавление дополнительных поднесущих. В связи с использованием есмежных полос спектра зарезервированых для IMT-Advanced, пропускная способность также может быть фрагментирована. Таким образом, пользовательское оборудование должно фильтровать, обрабатывать и декодировать сигнал переменной полосы пропускания. Одна из основных проблем вызванная расширеем полосы пропускания, это повышение сложности процесса декодирования.

Относительно распределения ресурсов в ENB и обратной совместимости, будут требоваться минимальные изменения в спецификации, если планирование, MIMO, адаптация канала связи и HARQ будут проводиться по группам частот 20 МГц. Например, для получения пользователем информации на 100 МГц потребуется 5 приемных цепей, по одной на каждый блок в 20 МГц.

Координация многоточечного приема и передачи.Координация приема и передачи в нескольких точках (MPRT), считается наиболее перспективынм методом повышения скорости передачи данных, а значит и увелечения средней пропускной способности сот. Метод состоит в координации передачи и приема сигнала от/до 1 UE в нескольких географически распределенных точках. Потенциальное влияние на характеристики включает в себя триех направления: отклик и механизмы оценки, схемы предварительной обработки и состав опорного сигнала.

Функциональность ретрансляции. Ретрансляция может быть осуществлена на трех различных уровнях сложности. Простейшим является однослойная ретрансляция, то есть использования ретрансляторов. Репитер получает сигнал, усиливает его и передает информацию охватывая таким образом невидимые области внутри сот. Терминалы могут принимать отраженные и прямые сигналы. Но для приема оба сигнала должны быть с задержкой, непревышающей циклический префикс.

4. Заключение

Технология LTE была разработана в качестве технологии будущего, чтобы удовлетворить растущие требоваия пользователей. В этой работе рассмотрены для Выпуска LTE и результаты моделирование на системном уровне. На основании этих результатов, сделан вывод о том, что LTE будет обеспечивать максимальные уровни пропускной способности: более чем 150 Мбит/с в нисходящем канале и 40 Мбит/с в восходящем канале на 10 МГц. Кроме того, в нисходящем канале минимум средней пропускной способности составляет около 30 Мбит/с, что представляет собой значительное повышение производительности сотовых систем. LTE более чем в 6 раз превосходит по производительности текущие системы HSDPA / HSUPA.

Эта статья также дает начальные представления о новых технических предложениях, которые в настоящее время обсуждаются в рамках комитета 3GPP.

Ссылки

[1] ITU-R Circular Letter 5/LCCE/2, Invitation for submission of proposals for candidate radio interface technologies for the terrestrial components of the radio interface(s) for IMT-Advanced and invitation to participate in their subsequent evaluation, March 2008.

[2] J. J. Sanchez, D. Morales-Jimenez, G. Gomez, and J. T. Enbrambasaguas, Physical layer performance of long term evolution cellular technology, in Proceedings of the 16th IST Mobile and Wireless Communications Summit, pp. 1-5, Budapest, Hungary, July 2007.

[3] A. Osman and A. Mohammed, Performance evaluation of a low-complexity OFDM UMTS-LTE system, in Proceedings of the IEEE Vehicular Technology Conference (VTC '08), pp. 21422146, Singapore, May 2008.

[4] K. Manolakis, A. Ibing, and V. Jungnickel, Performance evaluation of a 3GPP LTE terminal receiver, in Proceedings of the 14th European Wireless Conference (EW '08), pp. 1-5, Prague, Czech Republic, June 2008.

[5] C. Spiegel, J. Berkmann, Z. Bai, T. Scholand, and C. Drewes, MIMO schemes in UTRA LTE, a comparison, in Proceedings of the IEEE Vehicular Technology Conference (VTC '08), pp. 2228-2232, Singapore, May 2008.

[6] N. Wei, A. Pokhariyal, C. Rom, et al., Baseline E-UTRA downlink spectral efficiency evaluation, in Proceedings of the IEEE Vehicular Technology Conference (VTC '06), pp. 21312135, Montreal, Canada, September 2006.

[7] P. Mogensen, W. Na, I. Z. Kovacs, et al., LTE capacity compared to the shannon bound, in Proceedings of the 65th IEEE Vehicular Technology Conference (VTC '07), pp. 12341238, Dublin, Ireland, April 2007.

[8] 3GPP TR 25.913, Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (E-UTRAN), v.8.0.0, December 2008.

[9] 3GPP TR 25.814, Physical layer aspects for evolved Universal Terrestrial Radio Access (UTRA), September 2006.

[10] 3GPP R1-070674, LTE physical layer framework for performance evaluation, February 2007.

[11] 3GPP TR 25.912, Feasibility Study for evolved Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) and Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN), v.8.0.0, December 2008.

[12] 3GPP R1-072261, LTE Performance Evaluation—Uplink Summary, May 2007.

[13] 3GPP R1-072578, Summary of Downlink Performance Evaluation, May 2007.

[14] 3GPP TS 36.101, User Equipment (UE) radio transmission and reception, v.8.5.1, March 2008.

[15] 3GPP TS 36.213, Physical layer procedures, v.8.6.0, March 2009.

[16] 3GPP TS 36.211, Long Term Evolution physical layer; General description, v.8.6.0, March 2009.

[17] 3GPP TS 36.212, Multiplexing and channel coding, v.8.6.0, March 2009.

[18] G. Monghal, K. I. Pedersen, I. Z. Kovacs, and P. E. Mogensen, QoS oriented time and frequency domain packet schedulers for the UTRAN long term evolution, in Proceedings of the 67th IEEE Vehicular Technology Conference (VTC '08), pp. 25322536, May 2008.

[19] ITU-R Recommendation M.1645, Framework and overall objectives ofthe future development of IMT-2000 and systems beyond IMT-2000, June 2003.

[20] ITU-R Report M.2134, Requirements related to technical performance for IMT-Advanced radio interface(s), November 2008.

[21] 3GPP TR 36.913, Requirements for Further Advancements for E-UTRA, v.8.0.1, March 2009.

К началу