curs 9 sistemul lte. interfaȚa radio Și arhitectura...
TRANSCRIPT
CURS 9SISTEMUL LTE. INTERFAȚA RADIO
ȘI ARHITECTURA DE SISTEMCONF. DR. ING. ZSOLT POLGÁR
Ș.L. DR. ING. ZSUZSANNA ȘUTA
DEPARTAMENTUL DE COMUNICAȚII
CUPRINS
❑ Evoluția spre LTE
❑ Descrierea generală
❑ Cadrul radio LTE
❑ Canale fizice LTE
❑ Canale logice și de transport LTE
❑ Arhitectura de sistem SAE
❑ Stiva de protocoale E-UTRAN
❑ Aspecte legate de ARQ
❑ Handover în LTE
STLA - Curs 9 2019-2020 2
EVOLUȚIA SPRE LTE
❑ Specificaţiile LTE sunt încorporate în familia de specificaţii IMT 2000
❑ Specificaţiile “Universal Mobile Telecommunications System” (UMTS/HSxPA) impun
transfer de pachete de viteză mare:
o Până la 14.4 Mbps în downlink şi 5.76 Mbps în uplink – primele specificații
▪ Specificațiile permit download la 28.8 Mbps sau 43.2Mbps (“Dual carrier”)
o Sistemul HSxPA oferă îmbunătăţiri substanţiale relativ la sistemele UMTS anterioare, dar
performanţele sunt limitate datorită cerinţelor de compatibilitate cu versiunile anterioare
o Apariţia unor sisteme mobile broadband bazate pe comutaţie de pachete, cum este WiMAX
802.16e au impus strategii de dezvoltare pe termen lung “Long Term Evolution” – LTE a
sistemului UMTS
▪ Implementarea sistemului LTE Evolved UMTS Terrestrial Radio (E-UTRA)
STLA - Curs 9 2019-2020 3
EVOLUȚIA SPRE LTE
o Dezideratele pe termen lung:
▪ Debite de vârf: 100 Mbps downlink şi 50 Mbps uplink
▪ Întârzieri reduse: 10ms “round-trip delay”
▪ Capacitate sistem şi acoperire mărite
▪ Costuri de operare reduse
▪ Suport transmisii multi-antenă
▪ Suport pentru transfer eficient de pachete
▪ Alocare de bandă flexibilă – lărgime de bandă până la 20 MHz
▪ Posibilitatea integrării sistemelor existente
o Pentru a atinge aceste deziderate a fost necesară proiectarea unei noi interfeţe radio
o Câteva din cerinţele impuse nivelului fizic şi o comparaţie cu performanţele actuale (HSxPA)
sunt date în tabelul următor:
STLA - Curs 9 2019-2020 4
EVOLUȚIA SPRE LTE
Cerințe HSxPA LTE E-UTRA
Rata de vârf 14Mbps DL / 5.76Mbps UL 100Mbps DL / 50Mbps UL
Eficiență spectrală 0.6-0.8 DL / 0.35 UL [bps/Hz/sector] Îmbunătățire 3-4x DL / 2-3x UL
Throughput packet call 64kbps DL / 5kbps UL Îmbunătățire 3-4x DL / 2-3x UL
Trhoughput mediu utilizator 900kbps DL / 150kbps UL Îmbunătățire 3-4x DL / 2-3x UL
Întârziere plan utilizator 50ms 5ms
Timp ralizare conexiune 2s 50ms
Rată de transfer broadcast 384kbps Îmbunătățire 6-8x
Mobilitate Până la 250km/h Până la 350km/h
Suport tehnici multiantenă Nu Da
Lărgime de bandă 5MHz Scalabil până la 20MHz
STLA - Curs 9 2019-2020 5
EVOLUȚIA SPRE LTE
❑Alte obiective E-UTRA includ:
o Suport pentru moduri de lucru TDD şi FDD
o Complexitate sistem şi terminale nu foarte mare
o Domeniu/bandă de frecvenţă similare cu 802.16
o Suport pentru tehnici multiantenă avansate
o Uplink îmbunătăţit
o Întârzieri mici şi suport pentru VoIP
o Posibilitatea conlucrării cu sisteme clasice cum este UMTS
o Suport pentru mobilitate mărită – viteze maxime până la 350 km/h
o Tehnici de reducere a consumului de putere a staţiilor mobile
o Integrarea transmisiilor unicast şi broadcast
STLA - Curs 9 2019-2020 6
EVOLUȚIA SPRE LTE
o O diferenţă esenţială între sistemele HSxPA şi LTE constă în tehnicile de scheduling
o LTE permite atât în DL cât şi în UL scheduling în domeniul frecvenţă – FDS – “Frequency
Domain/Selective Scheduling” şi schedulig în domeniul timp TDS – “Time Domain Scheduling”
STLA - Curs 9
Cerințe HSxPA LTE E-UTRA
Durată TTI 2ms 1ms
Modulație QPSK, 16QAM DL;
QPSK, BPSK UL
QPSK, 16QAM, 64QAM DL;
QPSK, 16QAM UL
HARQ + N-channel
Stop&Wait
N=6 DL, N=8 UL
DL asincron, UL sincron; operații IR
DL asincron, UL sincron;
operații IR
Codare Convoluțional și turbo Tehnici de codare avansată
Scheduling TDS TDS și FDS
2019-2020 7
EVOLUȚIA SPRE LTE
o FDS poate îmbunătăţii substanţial capacitatea sistemului faţă de TDS; îmbunătăţire 20-30%
o TDS se poate utiliza pentru viteze mai mari, operaţii la marginea celulei, servicii cu overhead
redus, canale de control
❑ Subsisteme multiantenă (“Multi-Antenna Subsystem” – MAS) şi MIMO
o Pentru a se asigura rata de vârf prevăzută trebuie utilizate tehnici multiantenă:
▪ Tehnici de multiplexare spaţială – multiplexarea mai multor fluxuri către o singură staţie mobilă
• Trebuie utilizate cel puţin 2 sau 4 antene de transmisie; se utilizează duplexare FDD
▪ Tehnici de multi-user MIMO
• Se transmit fluxuri diferite la utilizatori diferiţi utilizând aceleaşi resurse spaţiale; se foloseşte
tehnica “Spatial Division Multiple Access” (SDMA)
STLA - Curs 9 2019-2020 8
EVOLUȚIA SPRE LTE
▪ Tehnici de diversitate “open loop MIMO”
• Se pot utiliza tehnicile “shift diversity” sau “space-time block codes”
▪ Tehnici de diversitate “closed-loop MIMO”
• Este necesar feedback a informaţiei de canal sau informaţie la destinaţie legată de precodarea
realizată
❑ Controlul interferenţei:
o Pentru maximizarea eficienţei spectrale se propune un factor de reutilizare 1 a frecvenţelor atât
pentru uplink cât şi pentru downlink
▪ Reutilizarea 1 a frecvenţelor poate cauza interferenţă severă pentru staţiile mobile situate la marginea
celulei sau în zone cu acoperire slabă
▪ Pentru controlul interferenţei se propune:
• Control de putere lent în uplink
• Coordonare/evitare interferenţă sau mediere interferenţă
• Tehnici de “beam-forming” la staţia de bază – pentru transmisii uplink
STLA - Curs 9 2019-2020 9
EVOLUȚIA SPRE LTE
❑ Alocare flexibilă a spectrului:
o Mai multe alocări de bandă de dimensiuni diferite
o Alocări de bandă împerecheate sau nu
STLA - Curs 9
Alocările de bandă
LTE şi utilizarea
resurselor
2019-2020 10
DESCRIEREA GENERALĂ LTE
❑ Structură generală protocol:
o Interfaţa radio dintre echipamentul utilizator (UE) şi reţea este format din trei straturi :
STLA - Curs 9
▪ Straturile 1, 2 şi 3
▪ Specificaţiile TS 36.200 descriu
stratul 1 – stratul fizic
▪ Specificaţiile TS 36.300 descriu
straturile 2 (MAC+RLC) şi 3
(RRC)
▪ Cercurile identifică punctele de
acces serviciu (SAP) dintre
straturi
2019-2020 11
DESCRIEREA GENERALĂ LTE
o Nivelul fizic oferă canale de transport pentru stratul MAC
▪ Canalul de transport caracterizează modul în care informaţia este transportată pe interfaţa radio
o MAC oferă diferite canale logice substratului “Radio Link Control” (RLC) din stratul 2
▪ Un canal logic este caracterizat de tipul de informaţie care se transferă
o Nivelul fizic trebuie să efectueze următoarele funcţii pentru a asigura transportul de date:
▪ Detecţie de eroare pe canalul de transport şi indicare la nivelele superioare
▪ Codare/decodare FEC a canalului de transport
▪ H-ARQ cu combinare soft
▪ Adaptare de rată a canalului de transport codat la canalul fizic
▪ Maparea canalului de transport codat în canalul fizic
▪ Adaptarea puterii canalului fizic
▪ Modularea şi demodularea canalului fizic
▪ Sincronizare în timp şi în frecvenţă
STLA - Curs 9 2019-2020 12
DESCRIEREA GENERALĂ LTE
▪ Măsurarea caracteristicilor radio şi indicarea către straturile superioare
▪ Procesare multiantenă MIMO
▪ Diversitate de transmisie
▪ Beamforming
▪ Procesare RF
❑ Tehnica de acces multiplu:
o Este bazată pe OFDM (“Orthogonal Frequency Division Multiplexing”) cu prefix ciclic (CP) în
downlink şi pe SC-FDMA (“Single-Carrier Frequency Division Multiple Access”) în uplink
▪ Se permite duplexare FDD (“Frequency Division Duplexing”) şi TDD (“Time Division Duplexing”)
o Stratul 1 permite utilizarea mai multor lărgimi de bandă: 1.4, 3, 5, 10, 15, 20MHz
▪ Blocul de resurse (“Resource block”) se întinde pe 12 subpurtătoare cu separare de 15kHz sau 24
subpurtătoare cu separare de 7.5kHz şi o durată de slot de 0.5ms
STLA - Curs 9 2019-2020 13
DESCRIEREA GENERALĂ LTE
❑ Aspecte de mobilitate şi rază de acoperire:
o Mobilitatea este una dintre dezideratele cele mai importante în sistemul LTE
▪ Sistemul optimizat pentru viteze între 0 şi 15 km/h
▪ Se asigură performanţe ridicate pentru viteze situate între 15 şi 120 km/h
▪ Serviciul se poate asigura şi pentru viteze cuprinse între 120 şi 350 km/h
o Se asigură suport pentru servicii de voce şi de timp real pe toată gama de viteze cu calitate cel
puţin egală cu cea a sistemelor UTRAN
o Rază de acoperire până la 5 km în condiţiile în care se asigură performanţe bune de throughput
şi eficienţă spectrală în condiţii de mobilitate
o Rază de acoperite de până la 30 km
▪ Se asigură mobilitate; se permite o degradare a performanţelor de throughput şi eficienţă spectrală
o Rază de acoperire de până la 100 km
▪ Suportat, dar se acceptă degradare în performanţe
STLA - Curs 9 2019-2020 14
DESCRIEREA GENERALĂ LTE
❑ Lanțul de procesare și canale LTE
o PDCP – Packet Data Convergence
Protocol; RLC – Radio Link
Control; EPS – Evolved
Packet System
STLA - Curs 9 2019-2020 15
l=0 l=NsymbDL-1
CADRUL RADIO LTE
❑ Structura blocului de resurse în DL:
o “Resource element” reprezintă o unitate de bază
frecvenţă – timp şi este identificat de o pereche
de indecşi (k, l)
k = 0,...,NRBDLNsc
RB-1
i = 0,...,NsymbDL-1
o k – index frecvenţă; l – index timp
o Indexarea se realizează într-o grilă de resurse
care se aplică unui port de antenă
▪ Durată grilă este de 1 Tslot
STLA - Curs 9 2019-2020 16
CADRUL RADIO LTE
❑ Sunt definite atât blocuri de resurse fizice cât şi virtuale
o Un bloc de resurse fizic este definit de NsymbDL simboluri OFDM consecutive în timp şi Nsc
RB
subpurtătoare consecutive în domeniul frecvenţă
▪ Un bloc de resurse fizic corespunde la o perioadă de slot şi la 180 kHz
o Relaţia dintre numărul blocului de resurse şi elementele de resursă dintr-un slot:
o Un bloc de resurse virtual este de aceeaşi dimensiune ca şi un bloc de resurse fizic
o Se pot defini două tipuri de blocuri de resurse virtuale
▪ Blocuri virtuale distribuite şi blocuri de resurse localizate
STLA - Curs 9 2019-2020 17
CADRUL RADIO LTE
o Blocurile de resurse virtuale se mapează pe blocurile de resurse fizice în funcţie de ordinul de
diversitate
▪ Pentru ordinul de diversitate doi un bloc virtual se mapează pe un bloc fizic
❑ Structura blocului de resurse în UL:
o Semnalul transmis în fiecare slot este descris de o grilă de resurse compusă din NRBULNsc
RB
subpurtătoare şi NsymbUL simboluri SC-FDMA
▪ Valoarea parametrului NRBUL depinde de lărgimea de bandă de transmisie UL: 6 ≤ NRB
UL ≤ 110
▪ Numărul de simboluri SC-FDMA dintr-un slot cu lungimea prefixului ciclic configurat de către straturile
mai mari:
▪ Relaţia dintre numărul blocului de resursă şi elementul resursă identificat de indexul (k, l):
STLA - Curs 9
Prefix ciclic extins
Prefix ciclic normal
2019-2020 18
CADRUL RADIO LTE
o Elementele resursă care nu sunt utilizate se
setează la zero
❑ Blocurile resursă:
o Un bloc resursă se defineşte ca şi NsymbUL
simboluri SC-FDMA consecutive în timp şi
NscRB subpurtătoare consecutive în domeniul
frecvenţă
o Durata în timp este de un slot şi ocupă 180
kHz bandă
STLA - Curs 9 2019-2020 19
CADRUL RADIO LTE
❑ Structura cadrului:
o Unitatea de timp de bază este: Ts = 1/(15000*20148)
o Atât transmisia downlink cât şi uplink sunt organizate în cadre radio având durata: Tf = 307200*Ts = 10ms
o Sunt definite două tipuri de structuri:
▪ Tip 1 pentru duplexare FDD
▪ Tip 2 pentru duplexare TDD
❑ Structura de cadru de tip 1:
o Se poate aplica atât la FDD “full duplex” cât şi “half duplex”
o Fiecare cadru are durata Tf = 10ms şi se compune din 20 de sloturi cu durata Tslot = 15369*Ts = 0.5ms
o Un subcadru i se defineşte ca şi două sloturi consecutive 2i şi 2i+1;
o În cazul FDD 10 subcadre sunt disponibile pentru transmisia DL şi 10 subcadre sunt disponibile pentru
transmisia UL în fiecare interval de 10 ms
STLA - Curs 9 2019-2020 20
CADRUL RADIO LTE
❑Structura cadrului de tip 2:
o Se poate aplica în cazul TDD
o Fiecare cadru este compus din două jumătăţi de cadru de durată: Tf = 5ms
o Fiecare jumătate de cadru constă din 8 sloturi de durată Tslot = 0.5ms şi trei câmpuri speciale:
DwPTS, GP şi UpPTS
o Lungimea câmpurilor DwPTS (“Downlink Pilot Time Slot”) şi UpPTS (“Uplink Pilot Time Slot”)
este configurabilă, dar lungimea totală a celor trei câmpuri este de 30720*Ts = 1ms
o Subcadrele 1 şi 6 constau din DwPTS, GP (“Guard Period”) şi UpPTS; toate celelalte subcadre i
sunt compuse din două sloturi 2i şi 2i+1
STLA - Curs 9 2019-2020 21
CADRUL RADIO LTE
o Subcadrele 0 şi 5 şi DwPTS sunt totdeauna rezervate pentru transmisia downlink
o Sunt suportate periodicităţi de 5 ms şi 10 ms ale punctului de comutare
▪ În cazul periodicităţii de 5 ms, UpPTS şi subcadrele 2 şi 7 sunt rezervate pentru transmisia uplink
▪ În cazul periodicităţii de 10 ms, DwPTS există în ambele jumătăţi de cadru în timp ce GP şi UpPTS
există în prima jumătate de cadru
STLA - Curs 9
• UpPTS şi subcadrul 2 sunt
rezervate pentru UL, iar
subcadrele 7 la 9 pentru
DL
2019-2020 22
CADRUL RADIO LTE
o DwPTS: utilizat pentru căutare celulă; transportă semnalul de sincronizare primar
▪ Include informaţie de control şi semnale de referinţă ca şi orice alt subcadru “downlink”
▪ Poate transporta şi informaţie utilă în funcţie de algoritmul de scheduling
o UpTS: utilizarea este limitată la transmisia semnalelor de măsurare (“sounding reference
signals”) şi la accesul aleatoriu (semnalele RACH)
o GP: interval de gardă asigură comutarea
între “downlink” şi “uplink”
STLA - Curs 9 2019-2020 23
CANALE FIZICE LTE – UL
❑ Canale uplink:
o Un canal fizic corespunde la un set de elemente de resurse care transportă informaţie de la
nivele superioare
o Se definesc următoarele canale fizice:
▪ Physical Uplink Shared Channel, PUSCH
▪ Physical Uplink Control Channel, PUCCH
▪ Physical Random Access Channel, PRACH
❑ Physical uplink shared channel – PUSCH
o Procesări bandă de bază:
▪ Aleatorizare; modulare; precodare; maparea simbolurilor complexe pe elemente resursă; generare
semnale SC-FDMA pe fiecare port de antenă
STLA - Curs 9 2019-2020 24
CANALE FIZICE LTE – UL
o Constelaţiile de modulare utilizate sunt:
▪ QPSK, 16QAM, 64QAM
o Precodarea (precodarea de transformare)
▪ Blocul de simboluri complexe d(0),...,d(Msymb-1) este divizat în Msymb/MscPUSCH seturi fiecare
corespunzând la un simbol SC-FDMA
▪ Precodarea se realizează conform regulii:
𝑧 𝑙𝑀𝑠𝑐𝑃𝑈𝑆𝐶𝐻 + 𝑘 =
𝑖=0
𝑀𝑠𝑐𝑃𝑈𝑆𝐶𝐻−1
𝑑 𝑙𝑀𝑠𝑐𝑃𝑈𝑆𝐶𝐻 + 𝑖 𝑒
−𝑗2π𝑖𝑘
𝑀𝑠𝑐𝑃𝑈𝑆𝐶𝐻
, 𝑘 = 0,… ,𝑀𝑠𝑐𝑃𝑈𝑆𝐶𝐻 − 1, 𝑙 = 0,… ,
𝑀𝑠𝑦𝑚𝑏
𝑀𝑠𝑐𝑃𝑈𝑆𝐶𝐻 − 1
• Rezultă un bloc de simboluri modulatoare complexe z(0),...,z(Msymb-1)
• Variabila MscPUSCH este numărul de subpurtătoare utilizate pentru transmisia PUSCH într-un
simbol SC-FDMA
STLA - Curs 9 2019-2020 25
CANALE FIZICE LTE – UL
• Variabila MscPUSCH este: Msc
PUSCH = NscRB*2α2*3α3*5α5 ≤ Nsc
RBNRBUL, αi ≥ 0, i = 2,3,5
o Maparea pe resursele fizice implică:
▪ Multiplicarea cu un factor de scalare a amplitudinii
▪ Maparea simbolurilor modulatoare complexe pe blocul de resurse alocat transmisiei PUSCH
• Maparea implică calculul indicilor (k, l) a unităţilor de resurse
• Indexul l începe de la primul slot din subcadru
• Indexul k este dat de relaţia: k = k0 +fhop(),...,k0+fhop()+MscPUSCH-1
• k0 reprezintă primul index din blocul alocat, fhop() reprezintă schema de salt de frecvenţă
❑ Physical uplink control channel – PUCCH
o Canalul de PUCCH transportă informaţie de control în UL: ACK, cerere de bandă; cerere de
scheduling, indicator calitate canal, matrice precodare;
o Nu se transmite simultan cu PUSCH
▪ Pentru structura de cadru de tip 2, PUCCH nu se transmite în câmpul UpPTS
STLA - Curs 9 2019-2020 26
CANALE FIZICE LTE – UL
o PUCCH suportă formate multiple după cum se
arată în tabelul următor
o Transmisia simbolurilor de control implică o serie
de procesări:
▪ Înmulţirea cu o secvenţă deplasată ciclic
• Se aplică deplasări diferite pentru simboluri de control SC-FDMA diferite dintr-un slot
▪ Se aplică o împrăştiere utilizând secvenţe ortogonale
▪ Se aplică o scalare în amplitudine
▪ Se realizează maparea pe elementele resursă cu salt în frecvenţă
❑Semnale de referinţă:
o Se utilizează pentru estimarea/măsurarea canalului radio
STLA - Curs 9 2019-2020 27
CANALE FIZICE LTE – UL
o Se definesc două tipuri de semnale de referinţă în UL:
▪ Semnal de referinţă demodulare
• Sunt asociate cu transmisia canalelor PUSCH şi PUCCH
▪ Semnal de referinţă de măsurare (“Sounding reference signal”)
• Nu sunt asociate cu transmisia canalelor PUSCH şi PUCCH
• Sunt necesare deoarece transmisia are loc numai pe un set limitat de subpurtătoare, dar este
necesară estimarea canalului în toată banda de frecvenţă pentru alocarea resurselor
o Se utilizează acelaşi set de secvenţe de bază (semnale Zadof-Chu) pentru semnalele de
referinţă de demodulare şi de măsurare
▪ Semnalele de referinţă se obţin prin deplasarea ciclică a unei secvenţe de bază
o Ortogonalitatea semnalelor de referinţă se obţine prin multiplexarea în frecvenţă pe seturi
distincte de subpurtătoare
o Lungimea secvenţei este egală cu un multiplu a numărul de subpurtărtoare din blocul resursă
STLA - Curs 9 2019-2020 28
CANALE FIZICE LTE – UL
o Semnalele de referinţă sunt multiplexate în timp cu datele pe subpurtătoarele asignate la UE
▪ Nivelul de putere al semnalului de referinţă este diferit de cel al simbolurilor de date transmise pe alte
simboluri SC-FDMA – PAPR trebuie minimizat pe fiecare simbol SC-FDMA
o Informaţiile de control se pot multiplexa şi cu datele
o Canalul PUCCH se utilizează până când nu există alocat PUSCH pentru UE
❑ Generarea semnalului bandă de bază SC-FDMA
o Se aplică la toate canalele UL cu excepţia canalului cu acces aleator PRACH
o Semnalul continuu în timp în perioada de simbol SC-FDMA cu indexul l este:
𝑠𝑙 𝑡 =
𝑘=− 𝑁𝑅𝐵𝑈𝐿𝑁𝑠𝑐
𝑅𝐵/2
𝑁𝑅𝐵𝑈𝐿𝑁𝑠𝑐
𝑅𝐵/2 −1
𝑎𝑘(−),𝑙𝑒𝑗2π(𝑘+
12)Δ𝑓(𝑡−𝑁𝐶𝑃,𝑙𝑇𝑠) , 0 ≤ 𝑡 < 𝑁𝐶𝑃,𝑙 + 𝑁 𝑇𝑠, 𝑁 = 2048, Δ𝑓 = 15𝑘𝐻𝑧, 𝑘 − = 𝑘 + 𝑁𝑅𝐵
𝑈𝐿𝑁𝑠𝑐𝑅𝐵/2
▪ ak,l este simbolul complex din elementul resursă (k,l), NCP= 160, l=0 şi 144, l=1 – 6 : prefix ciclic
normal; = 512: prefix extins
STLA - Curs 9 2019-2020 29
CANALE FIZICE LTE – UL
❑Physical random access channel – PRACH
o Preambulul de acces aleator constă dintr-un prefix ciclic de TCP şi o porţiune de secvenţă de
TSEQ:
▪ TCP se situează între 0 şi 21000 de unităţi de bază Ts
▪ TSEQ se situează între 4096 şi 49000 de unităţi de bază Ts
▪ Formatul este controlat de straturile superioare
o Se utilizează pentru realizarea sincronizării iniţiale în UL
▪ Transmisia pe acest canal este cerut de MAC și are loc pe anumite resurse timp frecvenţă:
• În domeniul frecvenţă se utilizează banda corespunzătoare la 6 blocuri resursă
• În cazul cadrului de tip 1 există cel mult o resursă PRACH pe subcadru
• În cazul cadrului de tip 2 pot exista mai multe resurse PRACH pe subcadru
o Secvenţele de preambul aleator sunt obţinute din secvenţe Zadoff-Chu obţinute din una sau mai
multe secvenţe de bază, sunt 64 de secvenţe disponibile în fiecare celulă
STLA - Curs 9 2019-2020 30
CANALE FIZICE LTE – DL
❑ Canale fizice downlink:
o Un canal fizic DL corespunde la un set de elemente resursă care transportă în DL informaţii
generate de straturile superioare
o Sunt definite următoarele canale downlink:
▪ Physical Downlink Shared Channel, PDSCH
▪ Physical Broadcast Channel, PBCH
▪ Physical Multicast Channel, PMCH
▪ Physical Control Format Indicator Channel, PCFICH
▪ Physical Downlink Control Channel, PDCCH
▪ Physical Hybrid ARQ Indicator Channel, PHICH
STLA - Curs 9 2019-2020 31
CANALE FIZICE LTE – DL
❑Procesările realizate pe canalele fizice downlink:
o Aleatorizarea biţilor codaţi în fiecare cuvânt de cod ce se transmite pe canalul fizic
o Modularea biţilor aleatorizaţi pentru a se genera simbolurile modulate complexe
o Maparea semnalelor modulate complexe în una sau mai multe nivele de transmisie
o Precodarea semnalelor modulate complexe în fiecare nivel pentru transmisia pe porturi de
antenă
o Maparea simbolurilor modulate complexe pentru fiecare port de antenă pe elementele resursă
o Generarea semnalului OFDM complex în domeniul timp pentru fiecare port de antenă
STLA - Curs 9 2019-2020 32
CANALE FIZICE LTE – DL
o Aleatorizarea: biţii cuvintelor de cod transmise într-un subcadru se aleatorizează conform unei
reguli impuse
▪ Într-un subcadru se pot transmite două cuvinte de cod
o Scheme de modulaţie:
▪ PDSCH: QPSK, 16QAM, 64QAM; PMCH: QPSK, 16QAM, 64QAM
o Maparea pe nivele de transmisie
▪ Necesară pentru implementarea tehnicilor multiantenă
▪ Pot exista 1, 2 sau 4 nivele de transmisie
▪ Se pot utiliza tehnici de multiplexare spaţială sau tehnici de diversitate
o Precodarea: implementează tehnicile multiantenă și se utilizează în conjuncţie cu tehnicile de
mapare
o Maparea pe elementele resursă
▪ Maparea pe elemente resursă, neutilizate pentru alte scopuri, pe porturile antenă se realizează prin
creşterea indexului k şi apoi a indexului l începând cu primul slot din subcadru
STLA - Curs 9 2019-2020 33
CANALE FIZICE LTE – DL
❑ Physical downlink shared channel – PDSCH:
o Dacă nu se transmit semnale de referinţă specifice utilizatorului se utilizează porturile antenă
0,1,2 şi 3
o Dacă se transmit semnale de referinţă specifice utilizatorului portul antenă folosit este 5
❑ Physical multicast channel – PMCH:
o Este caracterizat de câteva restricţii:
▪ Nu se utilizează scheme de diversitate
▪ Există câteva limitări impuse simbolurilor şi subcadrelor unde se poate transmiste PMCH
❑ Physical broadcast channel – PBCH:
o Se utilizează o secvenţă de aleatorizare specifică celulei
o Se utilizează modulaţie QPSK și se pot utiliza tehnici multiantenă
o Maparea pe elementele resursă se realizează conform unei reguli impuse
STLA - Curs 9 2019-2020 34
CANALE FIZICE LTE – DL
❑ Physical control format indicator channel – PCFICH:
o Transportă informaţii referitoare la numărul de simboluri OFDM (1, 2 sau 3) utilizate pentru
transmisia canalului PDCCH într-un subcadru
o Aleatorizarea se realizează cu o secvenţă specifică celulei
o Modulaţia utilizată: QPSK
o Se pot utiliza tehnici multiantenă; trebuie utilizate aceleaşi porturi antenă ca şi în cazul PBCH
o Maparea pe elementele resursă trebuie să ia în considerare tehnicile multiantenă
❑ Physical downlink control channel – PDCCH:
o Transportă informaţie de scheduling şi alte informaţii de control
o Un canal fizic de control se transmite utilizând o agregare a unuia sau a mai multor elemente de
canale de control (CCE – “Control Channel Element”)
STLA - Curs 9 2019-2020 35
CANALE FIZICE LTE – DL
▪ Un CCE corespunde la un set de elemente resursă
▪ Mai multe PDCCH se pot transmite într-un subcadru şi există mai multe formate PDCCH
▪ Se definesc proceduri de aleatorizare şi multiplexare a mai multor canale într-un subcadru
▪ Modulaţia utilizată este QPSK
▪ Sunt definite proceduri separate de mapare
❑ Physical hybrid ARQ indicator channel – PHICH:
o Transportă ACK/NAK H-ARQ;
o PHICH multiple mapate pe acelaşi set de elemente resursă formează un grup PHICH
o Modulaţia utilizată poate fi oricare din cele definite
o Maparea pe nivele şi pe elementele resursă descrise separat
o Detalii exacte se găsesc în standardele 3GPP, Release 8
STLA - Curs 9 2019-2020 36
CANALE FIZICE LTE – DL
❑ Semnale de referinţă:
o Se definesc trei tipuri de astfel de semnale:
▪ Semnale specifice celulă asociate cu transmisii non-MBSFN
▪ Semnale de referinţă MBSFN asociate cu transmisii MBSFN
▪ Semnale de referinţă specifice UE
o Există un singur semnal de referinţă transmis pe port de antenă
❑ Semnale de referinţă specifice celulei:
o Se transmit în toate subcadrele DL în celule care suportă transmisii non-MBSFN
▪ MBSFN: “Multi-Media Broadcast over a Single Frequency Network”
• O metodă posibilă pentru implementarea serviciilor Multimedia Broadcast Multicast Service
o În cazul subcadrelor utilizate pentru MBSFN numai primele două simboluri OFDM dintr-un
subcadru pot fi utilizate pentru transmisia unor semnale de referinţă specifice celulei
o Se transmit pe una sau mai multe porturi antenă
STLA - Curs 9 2019-2020 37
CANALE FIZICE LTE – DL
o Metoda de generare a secvenţelor
▪ Generarea secvenţei de referinţă bidimensionale rm,n(ns) depinde de prefixul ciclic; ns reprezintă
numărului slot-ului în cadrul radio
▪ În cazul prefixului ciclic normal secvenţa de referinţă bidimensională se obţine ca şi produsul simbol cu
simbol a altor două secvenţe bidimensionale rm,n(ns) = rm,nOSrm,n
PRS(ns)
▪ rm,nOS este o secvenţă ortogonală bidimensională; m şi n definesc secvenţa: n=0, 1; m=0, 1, ..., 219;
există 3 secvențe ortogonale
▪ rm,nPRS(ns) reprezintă o secvenţă pseudoaleatoare bidimensională; există 168 secvenţe
pseudoaleatoare
▪ Există o mapare unu la unu între cele trei identităţi din cadrul grupului de identităţi celulă de la nivel
fizic şi cele trei secvenţe ortogonale
▪ În cazul prefixului ciclic extins rm,n(ns) se generează dintr-o secvenţă pseudoaleatoare bidimensională
rm,nPRS(ns), există 504 secvenţe pseudoaleatoare
▪ Există o mapare unu la unu între identitatea celulei la nivel fizic şi secvenţele pseudoaleatoare
STLA - Curs 9 2019-2020 38
CANALE FIZICE LTE – DL
❑ Semnale de referinţă MBSFN:
o Semnalele de referinţă MBSFN se transmit numai în subcaderele alocate pentru transmisia
MBSFN şi numai pe portul de antenă 4
❑ Semnale de referinţă specifice UE:
o Sunt suportate de transmisia PDSCH pe portul antenă 5 și sunt selectate de nivelele superioare
❑ Semnale de sincronizare:
o Există un număr de 504 de identităţi unice a celulelor la nivel fizic
▪ Aceste identităţi sunt grupate în 168 de grupuri a câte trei identităţi unice
▪ Fiecare indentitate de celulă la nivel fizic face parte dintr-un singur grup
▪ Grupul se identifică prin NID(1) şi ia valori între 0 şi 167; elementul din grup se identifică prin NID
(2) şi ia
valori între 0 şi 2: NIDcell = 3NID
(1) + NID(2)
• Adunarea este modulo trei
STLA - Curs 9 2019-2020 39
CANALE FIZICE LTE – DL
o Semnalul de sincronizare primar:
▪ Este utilizat pentru a detecta temporizarea de slot şi identitatea în cadrul unui grup
▪ Se generează din secvenţe Zadoff-Chu în domeniul frecvenţă
▪ Maparea pe elementele resursă depinde de structura cadrului
• Portul antenă utilizat pentru transmisia acestei secvenţe nu este specificată
▪ Pentru structura de cadru de tipul 1 secvenţa de sincronizare se transmite numai în sloturile 0 şi 10
▪ Pentru structura de cadru de tip 2, semnalul de sincronizare primar se transmite în primul simbol al
câmpului DwPTS
STLA - Curs 9 2019-2020 40
CANALE FIZICE LTE – DL
o Semnalul de sincronizare secundar
▪ Se foloseşte la:
• Realizare sincronizare cadru
• Determinare identitate de grup
• Determinare lungime prefix ciclic
• Identificare mod de duplexare
▪ Reprezintă o secvenţă de lungime 62, obţinută din întreţeserea a doua secvenţe binare de lungime 31
• Secvenţa concatenată este aleatorizată (“scrambled”) cu ajutorul unei secvenţe ce depinde de semnalul de
sincronizare binar
• Se transmite în sloturile 0 şi 10 în cadre de tip 1, şi în sloturile 2 şi 12 în cadre de tip 2
STLA - Curs 9 2019-2020 41
CANALE FIZICE LTE – DL
❑ Generarea semnalului OFDM bandă de bază:
o Semnalul continuu în timp pe portul de antenă p şi în simbolul l:
𝑠𝑙𝑝 𝑡 =
𝑘=− 𝑁𝑅𝐵𝑈𝐿𝑁𝑠𝑐
𝑅𝐵/2
−1
𝑎𝑘(−),𝑙
𝑝𝑒𝑗2π𝑘Δ𝑓(𝑡−𝑁𝐶𝑃,𝑙𝑇𝑠) +
𝑘=1
𝑁𝑅𝐵𝑈𝐿𝑁𝑠𝑐
𝑅𝐵/2
𝑎𝑘(+),𝑙
𝑝𝑒𝑗2π𝑘Δ𝑓(𝑡−𝑁𝐶𝑃,𝑙𝑇𝑠) ,
0 ≤ 𝑡 < 𝑁𝐶𝑃,𝑙 + 𝑁 𝑇𝑠, 𝑘− = 𝑘 +
𝑁𝑅𝐵𝑈𝐿𝑁𝑠𝑐
𝑅𝐵
2, 𝑘 + = 𝑘 +
𝑁𝑅𝐵𝑈𝐿𝑁𝑠𝑐
𝑅𝐵
2− 1
▪ Variabila N ia valoarea 2048 pentru separaţie subpurtătoare 15kHz şi 4096 pentru separare
subpurtătoare de 7.5kHz
▪ Simbolurile OFDM dintr-un slot trebuie transmise în ordinea crescătoare a lui l
STLA - Curs 9 2019-2020 42
CANALE LOGICE ȘI DE TRANSPORT LTE
❑Canale de transport:
o Pentru a se reduce complexitatea stivei de protocoale LTE numărul canalelor de transport a fost
redus
▪ Nu mai sunt definite canale de date dedicate, fiind utilizate canalele partajate
o Canalele de transport DL sunt următoarele:
▪ Broadcast Channel (BCH)
▪ Downlink Shared Channel (DL-SCH)
▪ Paging Channel (PCH)
▪ Multicast Channel (MCH)
o Canalele de transport UL sunt următoarele:
▪ Uplink Shared Channel (UL-SCH)
▪ Random Access Channel (RACH)
STLA - Curs 9 2019-2020 43
CANALE LOGICE ȘI DE TRANSPORT LTE
❑ Canale logice:
o Canalele logice pot fi clasificate în canale de control şi canale de trafic
o Canalele de control sunt:
▪ Broadcast Control Channel (BCCH)
▪ Paging Control Channel (PCCH)
▪ Common Control Channel (CCCH)
▪ Multicast Control Channel (MCCH)
▪ Dedicated Control Channel (DCCH)
o Canalele de trafic sunt:
▪ Dedicated Traffic Channel (DTCH)
▪ Multicast Traffic Channel (MTCH)
STLA - Curs 9 2019-2020 44
CANALE LOGICE ȘI DE TRANSPORT LTE
STLA - Curs 9 2019-2020 45
ARHITECTURA DE SISTEM SAE
❑ Relaţia dintre LTE şi SAE:
o Implementarea LTE necesită o reţea “core” de performanţă ridicată
o Implementarea LTE fără SAE este posibilă teoretic dar nu are sens
▪ Definirea specificaţiilor LTE şi SAE au fost sincronizate în timp
❑ SAE: “System Architecture Evolution”
o Definit de 3GPP pentru sisteme wireless
o Este compatibil cu implementările de reţele 3GPP curente
o Arhitectură simplificată pentru asigurarea unui throughput ridicat, întârzieri reduse și QoS
o Handover şi interconectare cu alte tehnologii de acces 3GPP (UMTS, HSPA şi HSPA+)
▪ Asigură introducerea uşoară a unui serviciu nou
STLA - Curs 9 2019-2020 46
ARHITECTURA DE SISTEM SAE
❑ Terminologie:
o EPC = Evolved Packet Core
o EPS = Evolved Packet System
▪ Include EPC, LTE şi terminalele
❑ LTE este o reţea de acces bazată numai pe comutaţie de pachete
o Nu se utilizează deloc comutaţie de circuite
o Este optimizat pentru servicii bazate pe IP, incluzând serviciile de telefonie
o Se specifică proceduri de handover către reţele bazate pe comutaţie de circuite
o Reţeaua “core” de pachete este transparentă modulului IMS (practic încorporează IMS)
▪ “IP Multimedia Subsystem” (IMS): modul de arhitectură care asigură servicii IP multimedia
o Suportă tehnologii multiple de acces radio 3GPP (GERAN, UTRAN)
o Încorporează de asemenea acces non-3GPP (de ex. WiMAX, WLAN)
STLA - Curs 9 2019-2020 47
ARHITECTURA DE SISTEM SAE
❑ În sistemul LTE cea mai mare parte a funcţionalităţilor RNC sunt mutate în
eNodeB
o UMTS RNC nu mai este definit
o eNodeB este conectat direct la reţeaua de pachete EPC (“Evolved Packet Core”)
STLA - Curs 9 2019-2020 48
ARHITECTURA DE SISTEM SAE
❑ Sistemul LTE asigură un management simplificat al mobilităţii
o Se definesc modulele MME/UPE:
▪ “Mobility Management Entity” (MME)
• Sarcinile acestui modul includ:
• Identificare mobil,
identificare stări de mobilitate
▪ “User Plane Entity” (UPE)
• Sarcinile acestui modul includ:
• Iniţiere paging
• Stabilire parametrii bearer IP
STLA - Curs 9 2019-2020 49
ARHITECTURA DE SISTEM SAE
❑ Distribuţia funcţionalităţiilor EPS:
o “Enhanced Node B” (eNB) realizează următoarele funcţii:
▪ “Radio Resource Management”
▪ “Radio Bearer Control”
▪ “Radio Admission Control”
▪ “Connection Mobility Control”
▪ “Scheduling” – alocarea dinamică a resurselor la UE (“User Equipment”) atât în downlink cât şi în
uplink
▪ Compresie header IP şi criptare flux date utilizator
▪ Selecţia unui MME la conectarea UE
▪ Rutarea datelor din planul utilizator către “gateway” SAE
▪ Realizare măsurători şi raportarea măsurătorilor pentru mobilitate şi scheduling
STLA - Curs 9 2019-2020 50
ARHITECTURA DE SISTEM SAE
o MME realizează următoarele funcţii:
▪ Distribuţia mesajelor de paging către eNB-uri
▪ Control securitate
▪ Control mobilitate în stare “Idle”
▪ Control bearer SAE
▪ Criptare şi protecţie integritate semnalizare NAS
• NAS: “Non-Access Stratum”; semnalizarea NAS se termină în MME şi este responsabilă pentru
generarea şi alocarea indentificatoarelor temporare la UE
o SAE Gateway (MME&UPE) realizează următoarele funcţii:
▪ Terminaţie pentru pachetele din planul U (user plane)
▪ Comutaţia în planul U pentru a suporta mobilitatea UE
STLA - Curs 9 2019-2020 51
STIVA DE PROTOCOALE E-UTRAN
❑ Există definite două planuri:
o Planul U (RLC/MAC/PHY)
o Planul C (RRC) – terminaţie protocol către UE
❑ Interfaţarea dintre eNBs şi aGW (access gateway) se realizează prin interfaţa S1
❑ Funcţii eNodeB (concluzie)
o Toate aspectele legate de interfaţa radio; management mobilitate descentralizat; MAC şi
RRM; RRC simplificat
❑ Funcţiile aGW (MME+UPE):
o Generare paging; management mod LTE_IDLE; criptare plan utilizator; compresie Header
STLA - Curs 9 2019-2020 52
STIVA DE PROTOCOALE E-UTRAN
STLA - Curs 9 2019-2020 53
ASPECTE LEGATE DE ARQ
❑ Funcţionalitatea de ARQ asigură corecţia erorilor prin utilizarea retransmisiilor în stratul 2
❑ Caracteristici ARQ:
o ARQ retransmite unităţi RLC SDUs (pachete IP)
o Retransmisiile ARQ se bazează pe interacţiunea H-ARQ/ARQ
o ARQ utilizează informaţiile obţinute de la blocul H-ARQ relativ la transmisia/recepţia blocurilor
de transport
❑ Funcţionalitatea de H-ARQ asigură transferul corect al datelor între entăţile comunicante
în stratul 1
❑ Caracteristicile H-ARQ:
o Se utilizează “N-process Stop-And-Wait H-ARQ”
o H-ARQ se bazează pe semnale ACK/NACK
o Retransmisii asincrone cu modificarea adaptivă a parametrilor atât în downlink cât şi în uplink
STLA - Curs 9 2019-2020 54
HANDOVER ÎN LTE
❑ Procesul de handover
intra-LTE în arhitectura
LTE/SAE:
o Se pot identifica două
faze: Handover radio
şi “Update” cale
STLA - Curs 9 2019-2020 55
HANDOVER ÎN LTE
❑ Procesul de handover (intra-LTE HO) este controlat de către reţea
o Decizia este luată de către eNodeB (eNB) sursă
o Există două faze:
▪ Faza de pregătire a eNodeB nou pentru transferul datelor ce descriu procesul de comunicaţie înainte
de comanda de HO
• Reţeaua “core” nu este implicată în faza de pregătire
▪ Tot în această fază se realizează transferul datelor din planul utilizator între eNB sursă şi eNB nou
• Această abordare este cunoscut sub numele: “Make before brake approach”
▪ Comutarea căii către aGW
▪ Comutarea se realizează după stabilirea unei conexiuni noi între UE şi eNB final
• Nu se realizează bufferare la aGW
STLA - Curs 9 2019-2020 56
HANDOVER ÎN LTE
o Performanţe:
▪ Întreruperi scurte de ordinul a
30 ms
▪ Aceeaşi procedură de
handover se poate folosi atât
pentru servicii “real-time”
(sensibile la întârzieri) şi
servicii “non real-time”
(insensibile la întârzieri)
▪ Handover soft fără pierderi
o Diagrama procesului de
handover şi semnalizările
implicate
STLA - Curs 9 2019-2020 57