Беспроводные сети связи 16 11 15

64-КАМ, 1/2		1,512	0,461	7,560	1,985	15.120	4,032
64-КАМ, 2/3		2,016	0,614	10,080	2,611	20,160	5,376
64-КАМ,	3/4	2,268	0,691	11,340	2,938	22,680	6,048
64-КАМ,	5/6	2,520	0,768	12,600	3,264	25,200	6,720

На физическом уровне систем WiMAX над передаваемыми битами осуществляются следующие канальные процедуры

Скремблирование — это сложение по модулю два передаваемых битов с

элементами ПСП, которую формирует генератор ПСП с задающим полиномом вида x15 + x14 + 1. скремблирование

осуществляется только над информационными битами

Помехоустойчивое кодирование

Для осуществления помехоустойчивого кодирования в стандартах IEEE 802.16e-2005, 2009 предусмотрено четыре схемы:

сверточное кодирование

(CC, Convolutional Coding),

блочное турбокодирование

(BTC, Block Turbo Coding),

сверточное турбокодирование (CTC,

Convolutional Turbo Coding)

кодирование с малой плотностью проверок на четность

(LDPC, Low Density Parity Check).

Помехоустойчивое кодирование производится над блоками данных, размер которых определяется в зависимости от схемы кодирования, метода модуляции, количества повторений и других параметров.

Перемежение осуществляется над битами каждого блока в два этапа. Первый этап гарантирует, что соседние в исходной последовательности биты будут распределены не в соседние поднесущие. Второй этап предотвращает длительные последовательности наименее надежных битов.

Манипуляция

В сетях WiMAX IEEE 802.16e-2005, 2009 применяются методы модуляции: ФМ-2 для пилотных поднесущих, ФМ-4, КАМ-16 и КАМ-64 для модуляции информационных поднесущих.

Кодирование повторением

позволяет повысить энергетическую эффективность тех частей символа, в которых это является необходимым, и где применение вычислительно сложных кодов с высокой исправляющей способностью невозможно или нежелательно.

Поддержка HARQ

61

Втехнологии WiMAX реализованы два основных механизма автоматического запроса на повторную передачу в случае ошибки ARQ (AutomaticRepeatRequest).

Вмеханизме осуществляется выборочное повторение передачи поврежденных и пропущенных пакетов. При этом передатчик должен хранить определенное их число в буфере.

Однако основным в стандартах IEEE 802.16e-2005 и 2009 стал метод гибридного ARQ или HARQ (Hybrid ARQ). При этом каждый пакет, переданный БС, требует подтверждения от АС по служебному обратному каналу. Такая опция может назначаться только некоторым или всем соединениям определенной АС.

Если АС сообщает об ошибке, или подтверждение успешного приема не получено в установленный срок, то БС приступает к повторной передаче.

Существует два режима  HARQ:

- передача с увеличивающейся избыточностью (IncrementalRedundancy, IR) - передача с последующим комбинированием (ChaseCombining, CC).

IR режим: для каждого исходного пакета в канальном кодере формируется до четырех подпакетов, каждый со своим идентификатором SPID. Если произошел сбой, то повторно транслируется тот же подпакет с другим SPID.

Режим CС в случае ошибки предполагает повторную трансляцию одного и того же кодированного пакета.

Поддержка многоантенных систем

На БС возможно использование на передачу и прием одной, двух и четырех антенн, на АС обычно — одна антенна. Распространенной является схема MISO 2×1 и про- странственно-временное кодирование по методу Аламоути в нисходящем канале и схемы пространственного уплотнения сигналов АС SDMA в восходящем канале. При этом две АС, расположенные на достаточно большом расстоянии друг от друга, могут осуществлять передачу данных, используя одни и те же ЧВР не интерферируя друг с другом.

62

Стандарт 3GPP LTE является дальнейшим развитием сетей UMTS третьего поколения сети.

3GPP (англ. 3rd Generation Partnership Project) — консорциум, разрабатывающий спецификации для мобильной телефонии. Создан в 1998 году.

Система LTE была разработана для предоставления пользователям доступа к различным сервисам, к сети Интернет посредством протокола IP.

В сети LTE существует два вида трафика: передача пользовательских данных(UP – User Plane) и передача сигнальной информации(CP – Control Plane)

Сеть LTE состоит из: сети радиодоступа и базовой сети SAE http://bwa.lgp.kz/lte_p1.php

БС (EnodeB) в сети LTE выполняет следующие функций:

Управление радиоресурсами: распределение радиоканалов, динамическое распределение ресурсов в восходящих и нисходящих направлениях — так называемое диспетчеризация ресурсов (scheduling).

Выбор блока управления мобильностью (MME) при включении в сеть пользовательского терминала при отсутствии у того информации о прошлом подключении.

Измерение и составление соответствующих отчѐтов для управления мобильностью и диспетчеризации.

Маршрутизация в пользовательской плоскости пакетов данных по направлению к обслуживающему шлюзу(S-GW).

Диспетчеризация и передача вызывной и вещательной информации, полученной от блока управления мобильностью(MME).

Диспетчеризация и передача сообщений PWS (Public Warning System, система тревожного оповещения), полученных от блока управления мобильно-

стью(MME).

Сжатие заголовков IP-пакетов, шифрование потока пользовательских данных.

MME(Узел Управления Мобильностью — Mobility Management Entity) Это основной управляющий элемент в сети LTE. Он осуществляе только функции управления и не работает с пользовательскими данными. Имеет непосредственную связь с UE через протокол сигнализации вне уровня доступа(NAS –Non Access Stratum ).

сигнализация между сетью EPC и UE.

сигнализация в случае если выполняет хэндовер между различными сетями.

выбор P- GW и S- GW

выбор SGSN в случае когда осуществляется хэндовер в сети 2G или 3G

роуминг

законный перехват сигнализации

63

аутентификация: при регистрации UE в сети MME сравнивает его постоянный регистрационный номер с номером находящемся в базе данных HSS(Home Subscription Server) для проверки его подлинности.

управление каналами на интерфейсах к другим элементам сети

S-GW(Serving Gateway — обслуживающий шлюз): Предназначен для обработки и маршрутизации пакетных данных поступающих из/в подсистему базовых станций. SGW маршрутизирует и направляет пакеты с пользовательскими данными, в то же время выполняя роль узла управления мобильностью (mobility anchor) для пользовательских данных при хэндовере между базовыми станциями (eNodeB), а так же как узел управления мобильностью между сетью LTE и сетями с другими технологиями 3GPP. Когда UE свободен и не занят вызовом, S-GW подключает нисходящий канал данных (DownLink — DL) и производит пейджинг, если требуется передать данные по DL в направлении UE. Он управляет и хранит состояния UE (например требования по пропускной способности для IP-сервисов, внутреннюю информацию по сетевой маршрутизации). Он так же предоставляет копию пользовательских данных при узаконенном перехвате.

S-GW отвечает за выполнение следующих функций:

Выбор точки привязки (―якоря‖) локального местоположения (Local Mobility Anchor) при хэндовере.

Буферизация пакетов данных в нисходящем направлении, предназначенных для UE, находящихся в режиме ожидания, и инициализация процедуры запроса услуги.

Санкционированный перехват пользовательской информации.

Маршрутизация и перенаправление пакетов данных.

отправляет различные события в PCRF (начало соединения, завершение соединения)

Формирование учѐтных записей пользователей и идентификатора класса качества обслуживания для тарификации.

Тарификация абонентов.

PGW (Пакетный шлюз — Packet Data Network Gateway):

Пакетный шлюз обеспечивает соединение от UE к внешним пакетным сетям данных, являясь точкой входа и выхода трафика для UE. UE может иметь одновременно соединение с более чем одним P-GW для подключения к нескольким сетям. PGW выполняет функции защиты, фильтрации пакетов для каждого пользователя, поддержку биллинга, узаконенного перехвата и сортирование пакетов. Другая важная роль P- GW — являться узлом управления мобильностью между 3GPP и не-3GPP техноло-

гиями, такими как WiMAX и 3GPP2 (CDMA 1X и EvDO).

P-GW обеспечивает выполнение следующих функций:

Фильтрация пользовательских пакетов.

Санкционированный перехват пользовательской информации.

Распределение IP-адресов для UE.

Маркировка пакетов транспортного уровня в нисходящем направлении.

Тарификация услуг, их селекция.

PCRF (Узел выставления счетов абонентам — Policy and Charging Rules Function):

64

Policy Function (управление политикой) также может быть разделено на 2 функции: контроль шлюза (gating control) и контроль качеством. Под контролем шлюза (gating control) понимается своевременность и безошибочность определения таких событий как начало предоставления, изменение параметров, завершение предоставления услуги и т.п. Управление качеством включает в себя непрерывный мониторинг и поддержание заданных абонентскими параметрами характеристик качества предоставления услуг (QoS) причем не только для голосовых соединений, но и для пакетных сессий. Charging Function (управление начислением платы) обязательно предусматривает online тарификацию, т.е. абонент и оператор могут в реальном времени отслеживать состояние счета. PCRF должен поддерживать несколько моделей начисления платы: по предоставленному объему услуг, по затраченному на услугу времени, по факту предоставления услуги, а также комбинированные модели.

PCRF должен выполнять указанные выше функции даже когда абонент находятся за пределами операторской сети.

HSS (Home Subscriber Server — сервер абонентских данных сети): HSS представляет собой большую базу данных и предназначен для хранения данных об абонентах. HSS фактически заменяет набор регистров (VLR, HLR, AUC, EIR), которые использовались в сетях 2G и 3G.

HSS служит для хранения следующей информации:

пользовательских идентификаторов, номеров и адресной информации

данные безопасности абонентов: информация для контроля доступа в сеть, аутентификации и авторизации

информация о местоположении абонента на межсетевом уровне, т.е. если даже абонент покинет текущую сеть LTE оператора, то в HSS сохранится информация о том в какую сеть он перешел для его поиска в случае входящего звонка

информация о профиле абонента

Генерирует данные, необходимые для осуществления процедур шифрования, аутен-

тификации	и	т.п.
Сеть LTE может включать один или несколько HSS. Количество HSS зависит от географической структуры сети и числа абонентов.

Для обеспечения двунаправленной передачи данных между БС и МС технологией LTE поддерживается как частотный (FDD), так и временной дуплекс (TDD). Для частотного дуплекса определено 15 парных частотных диапазонов (частоты от 800 МГц до 3.5 ГГц), а для временного - 8.

ширина радиоканала может быть: 1.4, 3, 5, 10, 15 и 20 МГц.

В качестве систем множественного доступа в LTE используются OFDMA (Orthogonal

Frequency-Division Multiple Access) в нисходящем канале и SC-FDMA в восходящем канале.

Общее количество поднесущих может быть 72, 180, 300, 600, 900 или 1200. Могут использоваться следующие модуляции: QPSK, 16QAM, 64QAM. Множественный доступ организуется за счет того, что одна часть поднесущих выделяется одному пользователю к кадре, другая часть - второму пользователю и т.д

65

Архитектура сети LTE обеспечивает поддержку пакетного трафика с ―бесшовной‖ мобильностью, минимальными задержками доставки пакетов и высокими показателями качества обслуживания.

Мобильность сети обеспечивается дискретной мобильностью (роумингом) и непрерывной мобильностью (хэндовером).

Скорость передачи данных по стандарту 3GPP LTE в теории достигает 326,4 Мбит/с

(демонстрационно 1 Гбит/с на оборудовании для коммерческого использования[1])

на приѐм (download) и 172,8 Мбит/с на отдачу (upload); в стандарте же прописано 173

Мбит/с на приѐм и 58 Мбит/с на отдачу.

архитектура	LTE	включает	в	себя только	базовую станцию с
(е-Node B)	и	шлюз SAE	(SAE GW). SAE — Эволюция системной архитек-

туры ядра сети, разработанная консорциумом 3GPP для стандарта беспроводной свя-

зи LTE.
Шлюз SAE состоит из двух		объектов	уровня		пользователя, обслужи-
вающего шлюза	(ServingGateway, Serving		GW)	и	шлюза общедоступной се-
ти передачи	данных (PDN	Gateway,	PDN	GW).

ОШ функционирует как блок управления локальной мобильностью, принимая и пересылая пакеты данных, относящиеся к БС и обслуживаемым им Пользовательским Терминалам.

66

ПШ является интерфейсом между набором БС и различными внешними сетями, а также выполняет некоторые функции IP-сетей, такие, как распределение адресов, обеспечение пользовательских политик, маршрутизация, фильтрация пакетов и др.

MME (УзелУправленияМобильностью — MobilityManagementEntity) .Главная функция - управление пользовательскими терминалами (ПТ), находящимися в режиме ожидания, включая перенаправление и исполнение вызовов, авторизацию и аутентификацию, роуминг и хэндовер, установление служебных и пользовательских каналов и др.

HomeSubscriberServer (HSS) — сервер абонентских данных.

PolicyandChargingRulesFunction (англ.)(PCRF) — узел выставления счетов абонентам за оказанные услуги связи.

Сеть доступа		функционирует		без	центрального		контроллера		(BSC,
RNC),	поэтому		базовые	станции (eNode			B) обмениваются друг
с	другом		управляющими		данными	и	информацией		о поль-
зователях	через стандартизированные				интерфейсы.		Кроме	того,	они не-
посредственно		подключены		к	опорной	сети.

услугами являются следующие:

1передача интернет файлов (web-browsing);

2доставка электронной почты;

3мультимедийные сообщения (MMS, MultimediaMessagingService), в том числе,

мультимедийное вещание;

4потоковое видео (streaming);

5интерактивные игры в реальном времени.

ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ СЕТЕЙ LTE

Обмен между базовой станцией (БС) и мобильной станцией (МС) строится по принципу циклически повторяющихся кадров (в терминологии LTE – радиокадр). Длительность радиокадра – 10 мс. Все временные значения выражаются в единицах элементарного временного интервала, равного

Ts=1 / (2048·∆f), где ∆f – шаг между поднесущими, стандартно – 15 кГц. Таким образом, длительность радиокадра – 307200Ts.

Поддерживаются две структуры кадров. Одна для случая частотного дуплекса

(FrequencyDivisionDuplex, FDD)Тип 1, другая - для временного дуплекса

(TimeDivisionDuplex, TDD) - Тип2.

Структура кадра Тип 1:

67

Кадр делится на 20 слотов, с 0 до 19-го, длительностькаждого слота 0,5 с.

Кроме этого, выделяется понятие подкадра (subframe), который состоит из двух соседних слотов.

В случае FDD нисходящий (downlink) и восходящий (uplink) каналы передаются на разных частотах, поэтому в каждом 10 мс интервале времени имеется 10 подкадров для передачи "вниз" и 10 подкадров для передачи "вверх".

Структура кадра Типа 2:

В режимах с частотным разнесением временной ресурс в пределах кадра разделѐн на 10 подкаров для передачи в восходящем направлении и 10 — в нисходящем. Длина подкадров 1 мс.в некоторых подкадрах идет передача "вниз", а в некоторых "вверх". Кроме этого, существуют специальныеподкадры, которые состоят из

трех частей: DwPTS - поля передачи "вниз", GP - защитного интевала и

UpPTS - поля передачи "вверх".

Стандарт предусматривает два цикла временного дуплексирования – 5 и 10 мс. В первом случае 1-й и 6-й субкадры идентичны и содержат служебные поля DwPTS, UpPTS и защитный интервал GP. При 10-мс цикле 6-й субкадр используется для передачи данных в нисходящем канале. Субкадры 0 и 5, а также поле DwPTS всегда относятся к нисходящему каналу, а субкадр 2 и поле UpPTS – к восходящему. Распределение остальных субкадров определяется табл. 1.

68

в LTE используется модуляция OFDM, передача данных осуществляется на множестве частотных поднесущих (subcarrier). При расстоянии между поднесущими ΔF = 15 кГц (опционально возможен еще вариант с 7.5 кГц) длительность OFDM символа составляет 1/ΔF = 66.7 мкс.

Во временной области OFDM-символ включает поле данных и так называемый циклический префикс CP (CyclicPrefix) – повторно передаваемый фрагмент конца предыдущего символа (рис.7). Назначение префикса – борьба с межсимвольной интерференцией в приемнике вследствие многолучевого распространения сигнала.

Отраженный сигнал, приходящий с задержкой, попадает в зону префикса и не накладывается на полезный сигнал.

В каждом слоте (0.5 мс) передают 6 или 7 OFDM символов в зависимости от длительности циклического префикса. Длительность циклического префикса равна 5.2 мкс (4.7 мкс) 16.7 мкс – расширенный СР. На рисунке ниже представлены оба варианта структуры слота.

Весь канальный ресурс разбивается на ресурсные блоки (РБ, ResourceBlock, RB). Один блок состоит из 12 расположенных рядом поднесущих, занимающих полосу 180 кГц, и одного временного слота (6 или 7 OFDM символов общей длительностью 0.5 мс). Каждый OFDM символ на каждой из поднесущих образует ресурсный элемент (РЭ, ResourceElement, RE), который характеризуется парой значений {k, l}, где k - номер поднесущей, l - номер символа в ресурсном блоке. При обычной конфигурации (стандартная длительностью циклического префикса и 7OFDM символов в 1 слоте) в нисходящем канале каждый ресурсный блок включает в себя 12x7 = 84 ресурсных элемента.

Часть ресурсных элементов используется для передачи пилотного сигнала, который используется для синхронизации и оценки состояния радиоканала. Эти сигналы передаются в первом и пятом OFDM символе каждого слота при стандартной длине

69

циклического префикса и в первом и четвертом - при расширенной длине циклического префикса. При этом, в частотной области эти сигналы разносятся на фиксированную величину. На рисунке приведена схема ресурсного блока с указанием ресурсных элементов, в которых передаются пилотные сигналы при стандартной длине циклического префикса.

Каждая поднесущая модулируется посредством 4-, 16- и 64позиционной квадратурной фазово-амлитудной модуляции (QPSK, 16-QAM или 64-QAM). Соответственно, один символ на одной поднесущей содержит 2, 4 или 6 бит. При стандартном префиксе символьная скорость составит 14000 символов/с, что соответствует, при FDD-дуплексе, агрегатной скорости от 28 до 84 кбит/с на поднесущую. Сигнал с полосой 20 МГц содержит 100 ресурсных блоков или 1200 поднесущих, что дает общую агрегатную скорость в канале от 33,6 до 100,8 Мбит/с.

Формирование сигнала в нисходящемканалевключает процедуры канального кодирования, скремблирования, формирования модуляционных символов, их распределения по антенным портам и ресурсным элементам и синтеза OFDM-

символов.

Канальное кодирование - это вычисление контрольных сумм (CRC-24) для блоков данных, поступающих с МАС-уровня, и дальнейшая обработка этих блоковсконтрольнымисуммамипосредством кодера со скоростью кодирования 1/3. В LTE предусмотрено применение либо сверточного кода, либо турбо-кода.

Кодированная последовательность после перемежения поступает в скремблер. Затем формируются комплексные модуляционные символы (QPSK, 16- и 64-QAM) и распределяются по ресурсным элементам.

Далее происходит синтез OFDM-символов, их последовательность поступает в модулятор, формирующий выходной ВЧ-сигнал в заданном частотном диапазоне.

На стороне приема все процедуры выполняются в обратном порядке.

В технологии LTE для передачи в сторону базовой станции применяется новая схема передачи, получившая название SC-FDMA мультиплексирование с частотным разнесением с передачей на одной несущей.

Принципиальное ее отличие – если в OFDMA на каждой поднесущей одновременно передается свой модуляционный символ, то в SC-FDMA поднесущие модулируются одновременно и одинаково, но модуляционные символы короче. То есть в OFDMA символы передаются параллельно, в SC-FDMA – последовательно.

Применение SC-FDMA повышается энергоэффективность абонентских устройств и упрощается их конструкция.

70