Организация связи в сетях LTE

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.

Технологии в сетях

LTE

Нисходящий канал

В нисходящем и восходящем каналах применение технологии OFDM различно. В нисходящем канале эта технология используется не только для передачи сигнала, но и для организации множественного доступа (OFDMA) – т.е. для мультиплексирования абонентских каналов.

Помимо физического структурного блока в LTE вводится еще понятие логического структурного блока. По числу ресурсных элементов они эквивалентны, однако возможно два варианта отображения ресурсных элементов логического блока в физический – один в один или распределенно. В последнем случае элементы логического ресурсного блока оказываются распределенными по всей доступной ресурсной сетке.

В отличие от пакетных сетей, в LTE нет физической преамбулы, которая необходима для синхронизации и оценки смещения несущей. Вместо этого в каждый ресурсный блок добавляются специальные опорные и синхронизирующие сигналы. Опорные сигналы могут быть трех видов – опорный сигнал, характеризующий ячейку (Cell-specific), сигнал, связанный с конкретным абонентским устройством, и сигнал для специального широковещательного мультимедийного сервиса MBSFN. Опорный сигнал служит для непосредственного определения условий в канале передачи (поскольку приемнику известно его месторасположение и исходная форма). На основе этих измерений можно определить реакцию канала для остальных поднесущих, и с помощью интерполяции восстановить их исходную форму.

Опорный сell-specific-сигнал должен присутствовать в каждом субкадре нисходящего канала (кроме случаев MBSFN-передачи). Форма сигнала определяется на основе псевдослучайной последовательности Голда (вариант m-последовательности), при инициализации которой используется идентификационный номер ячейки БС (Cell ID). Такой опорный сигнал равномерно распределен по ресурсным элементам (рис.13). Так, при стандартной длине префикса он транслируется в 0-м и 4-м OFDM-символе, при расширенном СР – в 0-м и 3-м OFDM-символе. В частотной области опорные сигналы передаются через каждые шесть поднесущих, причем смещение определяется идентификатором ячейки, взятым по модулю 6.

Рис. 13 Расположение опорного сигнала (сell-specific) в нисходящем канале ресурсной сетки LTE в случае работы с одной антенной

Для того, чтобы осуществлять передачу и прием данных мобильная станция (UE, User Equipment) должна быть синхронизирована с базовой станцией (eNodeB). Для этого базовая станция передает 2 специальных синхронизирующих сигнала: Primary Synchronization Signal (PSS) и Secondary Synchronization Signal (SSS).

Синхронизирующие сигналы также однозначно определяют Cell ID. В LTE принята иерархическая структура идентификации ячейки, как и в предшествующей ей технологии WCDMA. Предполагается, что на физическом уровне доступно 504 Сell ID. Они разбиты на 168 ID-групп, по три идентификатора в каждой. Номер группы N₁ (0–167) и номер идентификатора в ней N₂ (0–2) однозначно определяют ID ячейки.

Primary Synchronization Signal (PSS)

PSS сигнал нужен для синхронизации по TTI, слотам и OFDM-символам, а также для вычисления физического идентификатора соты (Physical Layer Cell Identity, PCI). В качестве PSS используются три взаимно-ортогональные ZC-последовательности (Zadoff-Chu), на основе идентификатора N₂ от 0 до 2. Передача PSS сигнала осуществляется в 0 и 10 слотах каждого кадра (нулевой и пятый TTI, таким образом PSS передается два раза за 10 мс) и для этой передачи используются 62-е центральные поднесущие в последнем OFDM-символе слота (7-ой символ от начала кадра, см. рисунок 14). При передаче PSS используется QPSK модуляция.

Secondary Synchronization Signal (SSS)

SSS сигнал передается в предпоследних OFDM-символах слотов 0 и 10 на центральных 62-х поднесущих. Принимая сигнал SSS, мобильная станция может определить группу идентификатора соты – N₁, которая может принимать значения от 0 до 167. После этого мобильная станция вычисляет идентификатор соты (который нужен для определения места пилотных сигналов) следующим образом:

N_cell= 3×N₁+N₂.

Таким образом всего может быть 504 различных идентификатора соты.

Прием SSS сигнала позволяет достичь синхронизации по кадрам между базовой станцией и мобильной. Такой тип синхронизации достигается за счет того, что в слотах 0 и 10 передаются различные последовательности SSS.

На рисунке 14 приводится пример расположения синхронизирующих последовательностей в кадре (PSS – зеленая, SSS – желтая).

Кроме 62-х поднесущих, на которых осуществляется передача синхронизирующих последовательностей, по 5-ть поднесущих "снизу" и "сверху" от них не используются для передачи. Таким образом можно сказать, что передача синхронизирующих последовательностей занимает 1.08 МГц (72 поднесущие умножить на 15 кГц). Количество ресурсов, которое отводится под передачу синхронизирующих последовательностей не зависит от используемой полосы канала. Таким образом, накладные расходы (overhead) на передачу синхронизирующих сигналов могут составлять от 2.9% при полосе канала в 1.4 МГц, до 0.2% при 20 МГц (при 7-ми OFDM-символах в слоте).

В радио кадре типа 2 для передачи первичного синхросигнала используется третий OFDM-символ субкадров 1 и 6. Вторичный синхросигнал генерируется на основе номера ID-группы N₁. Он передается в слотах 0 и 10 радиокадра типа 1 (пятый OFDM-символ при стандартном СР) и в слотах 1 и 11 радиокадра типа 2 (шестой OFDM-символ при стандартном СР).

Рис. 14. Пример расположения синхронизирующих последовательностей

Формирование сигнала в нисходящем канале достаточно стандартно для современных систем цифровой передачи информации (рис.15). Оно включает процедуры канального кодирования, скремблирования, формирования модуляционных символов, их распределение по антенным портам и ресурсным элементам и синтез OFDM-символов. Канальное кодирование подразумевает вычисление контрольных сумм (CRC-24) для блоков данных, поступающих с МАС-уровня. Затем блоки с контрольными суммами обрабатываются посредством кодера со скоростью кодирования 1/3. В LTE предусмотрено применение либо сверточного кода, либо турбокода. Кодированная последовательность после перемежения (интерливинга) поступает в скремблер (для входной последовательности {x(i)} выполняется процедура вида d_scr(i) = x(i) + c(i), где c(i) – определенная скремблирующая последовательность). 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.

Рис. 15 Схема формирования сигнала в нисходящем канале

Применение OFDM в сочетании с циклическим префиксом делает связь устойчивой к временной дисперсии параметров радиоканала, в результате на приемной стороне становится не нужным сложный эквалайзер. Это очень полезно для организации нисходящего канала, поскольку упрощается обработка сигнала приемником, что снижает стоимость терминального устройства и потребляемую им мощность. Параметры нисходящего канала связи приведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры канала передачи между БС и АУ

Синтез сигнала OFDM имеет смысл рассмотреть более подробно, так как этот вопрос в отечественных публикациях рассматривается весьма поверхностно, что не позволяет сформировать целостную картину происходящих при этом физических процессов.

Рис. 16 Структура слота сигнала OFDM

Синтез OFDM сигнала показан на рис. 15. Прежде всего следует отметить, что сформированные модуляционные символы представляют собой не реальные модуляционные сигналы, а комплексные числа, в которых вещественная часть представляет амплитуду сигнала, а мнимая – фазу. Сформированные модуляционные символы сначала распределяются по слоям (антенным портам), а внутри слоя по ресурсным элементам, входящим в состав слота (рис.16) для всех выделенных ресурсных блоков (для всех выделенных поднесущих).

На вход блока N-точечного ОБПФ подаются OFDM сигналы, состоящий из модуляционных символов (комплексных чисел), предназначенных для всех N выделенных поднесущих, то есть отсчеты сигнала в частотной области. В результате ОБПФ на выходе получают отсчеты OFDM сигнала во временной области. Копируя часть временных отсчетов с конца OFDM сигнала в его начало добавляют так называемый циклический префикс для защиты от влияния интерференции. Однако, добавление циклического префикса, который уменьшает влияние канального затухания (link fading) и межсимвольную интерференцию (inter symbol interference), увеличивает полосу пропускания.

Поочередно подавая на вход блока N-точечного ОБПФ все OFDM символы и добавляя циклический префикс получают на входе модулятора отсчеты сигнала во временной области, предназначенного для передачи. В модуляторе производится преобразование цифровых отсчетов сигнала в сигнал в аналоговой форме (цифро-аналоговое преобразование), после чего производится его перенос на заданную частоту и усиление до требуемой мощности. В итоге в эфир излучается аналоговый сигнал близкий к шумоподобному на заданной частоте, а не сигнал с множеством поднесущих.

В соответствии с [7, п. 6.12] в LTE OFDM сигнал формируется в соответствии с формулой:

для где и

. Переменная

N

приравнивается 2048 для разноса поднесущих Δ

f

=15 кГц, 4096 для Δ

f

=7,5 кГц, 24576 для Δ

f

=1,25 кГц.

Символы OFDM в слоте должны передаваться в порядке возрастания l, начиная с l=0, где символ OFDM l>0 начинается со времени в слоте.

Восходящий канал

Основной недостаток технологии OFDMА – высокое соотношение пиковой и средней мощности сигнала (PAR). Это связано с тем, что во временной области спектр OFDM-сигнала становится аналогичным гауссову шуму, характеризующемуся высоким PAR. Кроме того, сама по себе технология OFDMА, с учетом необходимости минимизировать шаг между поднесущими и сокращать относительную длительность СР, предъявляет очень высокие требования к формированию композитного сигнала. Мало того, что частотные рассогласования между передатчиком и приемником и фазовый шум в принимаемом сигнале могут привести к межсимвольной интерференции на отдельных поднесущих (т.е. к интерференции между сигналами различных абонентских каналов). При малом шаге между поднесущими к аналогичным последствиям может привести и эффект Доплера, что очень актуально для систем сотовой связи, предполагающих высокую мобильность абонентов. В связи с этим для восходящего канала LTE была предложена новая технология – SC-FDMA (Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access).

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, а в SC-FDMA – последовательно. Такое решение обеспечивает меньшее отношение максимального и среднего уровней мощности по сравнению с использованием обычной модуляции OFDM, в результате чего повышается энергоэффективность абонентских устройств и упрощается их конструкция (существенно снижаются требования к точности частотных параметров передатчиков).

Структура SC-FDMA-сигнала во многом аналогична технологии OFDM. Так же используется композитный сигнал – модуляция множества поднесущих, расположенных с шагом ∆f. Принципиальное отличие в том, что все поднесущие модулируются одинаково, т.е. единовременно передается только один модуляционный символ (рис.17).

Рис. 17. Различие между OFDMA и SC-FDMA при передаче последовательности QPSK-символов

При этом ресурсная сетка полностью аналогична нисходящему каналу. Так же каждый физический ресурсный блок, соответствующий слоту, занимает 12 поднесущих с шагом ∆f=15 кГц в частотной области (всего 180 кГц) и 0,5 мс – во временной. Ресурсному блоку соответствуют 7 SC-FDMA-символов при стандартном циклическом префиксе и 6 – при расширенном. Длительность SC-FDMA-символа (без префикса) равна длительности ОFDMA-символа и составляет 66,7 мкс (длительности соответствующих циклических префиксов также равны). В сетке может быть от 6 до 110 ресурсных блоков, но их число должно быть кратно 2, 3 или 5, что связано с процедурой дискретного Фурье-преобразования. Еще одна особенность – поддержка модуляции 64-QAM в АУ опциональна.

Для формирования группового сигнала восходящих каналов в сетях LTE используется схема мультиплексирования с частотным разнесением с передачей на одной несущей SC-FDMA. Эта схема может работать в системах, функционирующих как в режиме TDD с временным дуплексированием, так и в режиме FDD с частотным дуплексированием. Такие сигналы можно рассматривать как одночастотные с модуляцией КФМ или ФМ-2 и временным мультиплексированием, подобные тем сигналам, которые формируются в системе GSM. Формирование сигнала SC-FDMA показано на рис. 18. Как уже было отмечено, сигналы всех АУ, работающих с данной БС, излучаются на одной несущей, поэтому оставшуюся часть частотного диапазона, показанного на рис. 18, занимают спектры других АУ, как показано на рис. 19. При формировании сигнала в частотной области по классической схеме формирования одночастотного сигнала с модуляцией КФМ (ФМ-2), между этими спектрами нужно предусматривать защитные интервалы. Однако в системе SC-FDMA сигналы как соседних поднесущих, так и соседних АУ являются ортогональными, это позволяет использовать преимущество схемы с ортогональным частотным разнесением, которое заключается в эффективном использовании частотного ресурса. При этом защитный интервал в частотной области между сигналами разных абонентов может быть опущен. Как и в системах с OFDM, во временной области периодически добавляется ЦП, но такая процедура проводится над блоком элементарных символов. Введение такого ЦП позволяет избежать МСИ между SC-FDMA символами или между блоками элементарных символов.

Рис. 18. Передача данных с использованием технологии SC-FDMA

Распределение частотного ресурса между абонентами осуществляется ресурсными блоками, каждому из которых соответствует полоса частот 180 кГц в частотной области, что при разносе между соседними поднесущими частотами в 15 кГц соответствует 12 поднесущим, и временной интервал 0,5 мс во временной области (1 слот). В режиме работы с нормальным циклическим префиксом ресурсный блок содержит 7 SC-FDMA-символов, а в режиме работы с расширенным циклическим префиксом –6 SC-FDMA-символов.