в lte дуплексное разделение каналов может быть как так и временным
Что такое FDD и TDD в терминологии 3G/4G
FDD и TDD — это аббревиатура названий методов разделения каналов.
FDD (Frequency Division Duplex ) — использует частотное разделение каналов.
TDD (Time Division Duplex ) — использует временное разделение каналов.
Под разделением каналов подразумевается разнос входящего и исходящего канала.
Можно сказать, что FDD — это параллельный LTE, а TDD — последовательный LTE.
Преимущество FDD заключается в более низкой интерференция между соседними BS и в более высокой скорости в Downlink на одинаковой с TDD ширине канала (скорость downlink в TDD на канале 20 МГц соответствует скорости в FDD на канале 15 МГц).
TDD с другой стороны, более эффективно использует ресурсы при асимметричном канале (каким и является канал в мобильной связи), поскольку в TDD возможно регулировать соотношение ресурсов для downlink/uplink. Поэтому, как FDD, так и TDD нашли своё место в современных сетях LTE.
Например, при ширине канала в 20 МГц в FDD LTE часть диапазона (15 МГц) отдаётся для загрузки (download), а часть (5 МГц) для выгрузки (upload). Таким образом каналы не пересекаются по частотам, что позволяет работать одновременно и стабильно для загрузки и выгрузки данных. В TDD LTE всё тот же канал в 20 МГц полностью отдаётся и как для загрузки, так и для выгрузки, а данные передаются в ту и другую сторону поочерёдно, при этом приоритет имеет всё таки загрузка.
Наиболее распространенным на сегодняшний день является режим FDD (2017год-начало), так как в таком случае достигается более высокая стабильность соединения, качество связи, а также меньшие задержки, а, значит, более высокая скорость передачи данных.
FDD и TDD — сравнение
Интересно то, что протоколы верхнего уровня в обоих этих режимах (FDD/TDD) обрабатываются абсолютно идентично.
Более того, процедуры осуществления мультиплексирования и расширения кодов в восходящих и нисходящих каналах обоих режимов применяют абсолютно идентичные управляющие данные.
Использование одной частоты для восходящих и нисходящих потоков информации существенно упрощает конструкцию адаптивных антенн, а также общего оборудования базовой станции.
В lte дуплексное разделение каналов может быть как так и временным
Направления развития широкополосной беспроводной связи
Беспроводные цифровые коммуникации, бурно стартовав, продолжают развиваться чрезвычайно быстро. Этому способствует неуклонный прогресс в микроэлектронике, позволяющий выпускать все более сложные и при этом – все более дешевые– средства беспроводной связи. Бум сотовой связи, сравнимый лишь с ростом производства персональных компьютеров и развитием Интернета, не замедляется уже четверть века. Мобильных телефонов во всем мире уже значительно больше, чем обычных проводных телефонных аппаратов. Быстрыми темпами развиваются персональные и локальные сети, широко внедряются беспроводные сети регионального масштаба. Низкая стоимость, быстрота развертывания, широкие функциональные возможности по передаче данных, телефонии, видеопотоков делают беспроводные сети одним из основных направлений развития телекоммуникационной индустрии.
Развитие беспроводной связи сопровождается непрерывной сменой технологий, в основе которых лежат стандарты сотовой связи GSM и CDMA, а также стандарты систем передачи данных IEEE 802 (рис.1). Исторически технологии беспроводной связи развивались по двум независимым направлениям – системы телефонной связи (сотовая связь) и системы передачи данных (Wi-Fi, WiMAX). Но в последнее время наблюдается явная тенденция к слиянию этих функций. Более того, объем пакетных данных в сетях сотовой связи третьего поколения (3G) уже превышает объем голосового трафика (рис.2), что связано с внедрением технологий HSPA [4]. В свою очередь, современные сети передачи информации обязательно обеспечивают заданный уровень качества услуг(QoS) для различных видов трафика. Реализуется поддержка приоритезации отдельных потоков информации, причем как на сетевом/транспортном уровнях (на уровне TCP/IP), так и на МАС-уровне (стандарты IEEE 802.16). Это позволяет использовать их для оказания услуг голосовой связи, передачи мультимедийной информации и т.п.
В связи с этим само понятие сетей следующего, четвертого, поколения (4G) неразрывно связано (если не синонимично) с созданием универсальных мобильных мультимедийных сетей передачи информации. Сегодня две группы технологий явно нацелены на оказание универсальных услуг связи. Это WiMAX (как развитие линии IEEE 802) и технологии сотовой связи поколений «cупер 3G». Причем каждая из них занимает свою нишу на обширном рынке беспроводной связи.
Технология фиксированного WiMAX (IEEE 802.16-2004) не оправдала возлагавшихся на нее надежд по быстродействию, объему зоны покрытия и ценовым характеристикам. Но операторы справедливо ожидают качественного прорыва от мобильного WiMAX (IEEE 802.16e), который уже начал активно внедряться во всех странах мира, включая Россию.
Технологии 3G уже широко используются операторами сотовой связи во всем мире. Они развиваются по двум направлениям – линия UMTS (WCDMA) и линия CDMA (cdma200). Например, российский сотовый оператор «МегаФон» в 2008 году в Санкт-Петербурге начал коммерческую эксплуатацию сети из 45 базовых станций на основе технологии UMTS/HSPA. МТС предоставляет услуги широкополосного мобильного доступа в Интернет на базе технологии 3G в восьми крупных городах России. Еще раньше ОАО «Московская Сотовая Связь» под торговой маркой «Скай Линк» развернуло сети по технологии CDMA20001X EV-DO в диапазоне 450МГц на территории 31 субъектa РФ.
Однако требования конечных пользователей к предоставляемым услугам (рис.3) постоянно повышаются. Мобильные сети должны использоваться не только для сотовой связи, но и для передачи видео, мобильного ТВ, музыки и работы с Интернетом с высокими скоростями и качеством передачи. Именно с этой целью в рамках проекта сотрудничества в создании сетей третьего поколения 3GPP (3G Partnership Project) была начата разработка технологии LTE.
Развитие технологии LTE
Разработка технологии LTE как стандарта официально началась в конце 2004 года (рис.4). Основной целью исследований на начальном этапе был выбор технологии физического уровня, которая смогла бы обеспечить высокую скорость передачи данных. В качестве основных были предложены два варианта: развитие существующего радиоинтерфейса W-CDMA (используемого в HSPA) и создание нового на основе технологии OFDM. В результате проведенных исследований единственной подходящей технологией оказалась OFDM, и в мае 2006 года в 3GPP была создана первая спецификация на радиоинтерфейс Evolved UMTS Terrestrial Radio Access (E-UTRA). Первые, предварительные спецификации LTE создавались в рамках так называемого 3GPP Release 7. А в декабре 2008 года утверждена версия стандартов 3GPP (Release 8), фиксирующая архитектурные и функциональные требования к системам LTE. В середине 2009 ожидается выход в свет первых опытных систем на основе LTE, а в 2010– первых коммерческих сетей.
По сравнению с ранее разработанными системами 3G, радиоинтерфейс LTE обеспечит улучшенные технические характеристики. В частности, в LTE ширина полосы пропускания может варьироваться от 1,4 до 20 МГц (по более ранним источникам – от 1,25 МГц), что позволит удовлетворить потребностям разных операторов связи, обладающих различными полосами пропускания. При этом оборудование LTE должно одновременно поддерживать не менее 200 активных соединений (т.е. 200 телефонных звонков) на каждую 5-МГц ячейку. Также ожидается, что LTE улучшит эффективность использования радиочастотного спектра, т.е. возрастет объем данных, передаваемых в заданном диапазоне частот. LTE позволит достичь внушительных агрегатных скоростей передачи данных – до 50 Мбит/с для восходящего соединения (отабонента до базовой станции) и до 100 Мбит/с для нисходящего соединения (от базовой станции к абоненту) (в полосе 20 МГц). При этом должна обеспечиваться поддержка соединений для абонентов, движущихся со скоростью до 350км/ч. Зона покрытия одной БС – до 30 км в штатном режиме, но возможна работа с ячейками радиусом более 100км. Поддерживаются многоантенные системы MIMO.
Радиоинтерфейс LTE позиционируется в качестве решения, на которое операторы будут постепенно переходить с нынешних систем стандартов 3GPP и 3GPP2 [5–8], а его разработка является важным этапом в процессе перехода к сетям четвертого поколения 4G. Фактически спецификация LTE уже содержит большую часть функций, изначально предназначавшихся для систем 4G, поэтому ее иногда именуют «технологией 3,9G».
Но развитие технологии LTE продолжается. Уже разрабатываются спецификации следующего поколения, так называемые LTE-Advanced. И конца этому процессу не видно.
Принципы построения радиоинтерфейса по технологии LTE
В нисходящем и восходящем канале 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 описанного физического структурного блока вводится понятие логического структурного блока. По числу ресурсных элементов они эквивалентны, однако возможно два варианта отображения ресурсных элементов физического блока в логический – один в один и 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.9). Так, при стандартной длине префикса он транслируется в 0-м и 4-м OFDM-символе, при расширенном СР – во время 0-го и 3-го OFDM-символа. В частотной области опорные сигналы передаются через каждые шесть поднесущих, причем смещение определяется идентификатором ячейки, взятым по модулю 6.
Помимо опорных сигналов, в нисходящем канале транслируются и синхронизирующие сигналы. Синхронизирующие сигналы также однозначно определяют Cell ID. В LTE принята иерархическая структура идентификации ячейки, как и в прешествующей ей технологии WCDMA. Предполагается, что на физическом уровне доступно 504 Сell ID. Они разбиты на 168 ID-групп, по 3 идентификатора в каждой. Номер группы N1 (0–167) и номер идентификатора в ней N2 (0–2) однозначно определяют ID ячейки. Используется два синхросигнала – первичный и вторичный. Первичный синхросигнал представляет собой 62-элементную последовательность в частотном плане, задаваемую последовательностью Задова-Чу на основе идентификатора N2. Такая последовательность из 62 поднесущих, распределенных по ресурсной сетке симметрично относительно ее центральной частоты, передается в радиокадре типа 1 в последнем OFDM-символе слотов 0 и 10 (субкадры 0 и 5). Врадиокадре 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 типа2 (шестой OFDM-символ при стандартном СР).
Формирование сигнала в нисходящем канале достаточно стандартно для современных систем цифровой передачи информации (рис.10). Оно включает процедуры канального кодирования, скремблирования, формирования модуляционных символов, их распределения по антенным портам и ресурсным элементам и синтеза 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 турбо-кода. Кодированная последовательность после перемежения (интерливинга) поступает в скремблер (для входной последовательности
Восходящий канал
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.
В восходящем канале допустимая мощность излучения значительно ниже, чем в нисходящем. Поэтому первичным становится энергетическая эффективность метода передачи информации с целью увеличения зоны покрытия, снижения стоимости терминального устройства и потребляемой им мощности.
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, 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.11).
При этом ресурсная сетка полностью аналогична нисходящему каналу. Так же каждый физический ресурсный блок, соответствующий слоту, занимает 12 поднесущих с шагом ∆f = 15кГц в частотной области (всего 180 кГц) и 0,5мс– во временной. Ресурсному блоку соответствуют 7SC-FDMA-символов при стандартном циклическом префиксе и 6 – при расширенном. Длительность SC-FDMA-символа (без префикса) равна длительности ОFDMA-символа и составляет 66,7мкс (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.
Каждому абоненту сети для передачи данных от базовой станции с помощью функции планирования на определенное время выделяется определенное число ресурсных блоков. Расписание передается абонентам по служебным каналам в нисходящем радиоканале.
Однако если при OFDMA один модуляционный символ (QPSK, 16- или 64-QAM) соответствует OFDM-символу на одной поднесущей (15 кГц, 66,7 мкс), то при SC-OFDMA ситуация иная. В частотном плане ширина модуляционного символа оказывается равной всей доступной полосе частот (он передается на всех поднесущих одновременно). При этом один SC-FDMA-символ содержит несколько модуляционных символов – в идеале столько же, сколько поднесущих – но в соответствующее число раз более коротких по сравнению с OFDMA, что полностью отвечает условиям теоремы Котельникова-Шеннона.
Сама процедура формирования SC-FDMA-сигнала отличается от схемы OFDMA. После канального кодирования, скремблирования и формирования модуляционных символов они группируются в блоки по М символов – субсимволов SC-FDMA (рис.12). Очевидно, что непосредственно отнести их на поднесущие с шагом 15 кГц невозможно – требуется в N раз более высокая частота, где N – это число доступных для передачи поднесущих. Поэтому, сформировав группы по М модуляционных символов (М
Портал о современных технологиях мобильной и беспроводной связи
Физический уровень сетей LTE
Радиоинтерфейс LTE. Физический уровень
Канальный ресурс LTE по линии вниз (OFDMA) и его характеристики
На физическом уровне (на участке между UE и eNodeB) в стандарте LTE применяют технологию OFDM (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) с модуляцией 4-ФМ, 16-КАМ и 64-КАМ. При этом максимальное количество поднесущих частот в рабочей полосе может быть равно 2048.
С целью достижения взаимной синхронизации E-UTRA и UTRA применяют тактирование с длительностью временной единицы Ts= 1/(15000×2048)c. Передача по радиоканалу производится кадрами длительностью 10 мс, что равно 307200 Ts.
Структуры кадров LTE
Кадры в LTE подразделяются на 2 типа:
Структура кадра с частотным дуплексом (FDD)
Структура кадра частотным дуплексом приведена на рис.1. Кадр включает 20 временных слотов длительностью 15360×Ts = 0,5мс, пронумерованных от 0 до 19. Два последовательных слота представляют собой 1 субкадр. Всего субкадров – 10, от 0 до 9 (рис.2).
Рис. 1. Структура кадра при частотном дуплексе (FDD)
Рис.2. Конфигурация кадра при частотном дуплексе (FDD)
Структура кадра при временном дуплексе (TDD)
Структура кадра в LTE при TDD приведена на рис. 3.
Рис.3. Структура кадра при временном дуплексе (TDD)
Кадр длиной 10 мс также включает 10 субкадров длиной 1 мс, но в отличие от рис.2 в некоторых субкадрах происходит передача вниз (D), в других – вверх (U); помимо этого есть специальные субкадры (S), в состав которых входит три поля: UpPTS – поля передачи вверх, DwPTS – поля передачи вниз, и GP – защитного интервала. Всего при временном дуплексе возможно 7 конфигураций кадров (табл. 1).
Таблица 1. Конфигурации кадра в LTE при временном дуплексе (TDD)
Конфигурация
вверх-вниз
Периодичность
вверх-вниз
Номер субкадра
Поскольку между поднесущими расстояние составляет ∆F = 15 кГц, длина OFDM-символа равна 1/∆F ≈ 66,7 мкс. Половина субкадра (слот длительностью 0,5мс) состоит из 6 или 7 OFDM-символов в зависимости от величины циклического префикса СР (cyclic prefix) и активной паузы между символами. Значение циклического префикса TCP равно 160Тs ≈5,2 мкс перед первым символом и 144Тs ≈4,7мкс – перед остальными символами. Возможен также вариант применения расширенного СР, равного 512Тs ≈16,7мкс. В случае, приведенном на рис.4, в один субкадр входит 6-OFDM символов (типичный пример).
Рис.4. Структура слота на физическом уровне
Канальный ресурс LTE. Ресурсный блок и ресурсный элемент
Существующий канальный ресурс состоит из ресурсных блоков (РБ), каждый из которых включает 12 расположенных рядом поднесущих, занимающих полосу 180 кГц и одного временного слота (7 или 6 OFDM-символов на интервале 0,5 мс). Каждый OFDM-символ представляет собой ресурсный элемент (РЭ), параметрами которого являются 2 значения:
Рис.5. Структура ресурсного блока при передаче вниз
Следует учитывать, что скорость передачи сокращается, поскольку часть ресурса занимают опорные символы и управляющие каналы. Опорные символы используют для реализации когерентной демодуляции и оценки каналов. Во время передачи по линии «вниз» на базовой станции могут функционировать до 4-х антенн. При этом каждой антенне выделены фиксированные ресурсные элементы для передачи опорных символов. Рис.6. поясняет расположение опорных символов в ресурсном блоке, где символами, помеченными R0, являются символы, передаваемые антенной 0, символы R1 – антенной 1, R2 – антенной 2, R3 – антенной 3. Уменьшение пропускной способности ресурсного блока (в процентном отношении) вследствие передачи опорных символов приведено в табл. 2.
Cкорость мобильного интернета
Данный раздел находится в стадии разработки!
Структура радиоинтерфейса сетей 4G-LTE
Каждый слот содержит 7 или 6 OFDMA/SC-FDMA символов (в зависимости от используемого циклического префикса). Один символ включает в себя интервал передачи полезного сигнала, длительностью TU=2048*TS (
66.7мкс) и циклический префикс (нормальный, либо расширенный). Длительность нормального префикса составляет TCP=160xTS (
5.2мкс) перед первым символом слота и TCP=144xTS (
3GPP определяет два способа разделения каналов в сетях LTE:
Табл.1Номер конфигурации UL:DL | Соотношение UL:DL | Период переключения UL:DL | Номер субфрейма | |||||||||
0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |||
0 | 3:1 | 5 мс | D | S | U | U | U | D | S | U | U | U |
1 | 1:1 | 5 мс | D | S | U | U | D | D | S | U | U | D |
2 | 1:3 | 5 мс | D | S | U | D | D | D | S | U | D | D |
3 | 1:2 | 10 мс | D | S | U | U | U | D | D | D | D | D |
4 | 2:7 | 10 мс | D | S | U | U | D | D | D | D | D | D |
5 | 1:8 | 10 мс | D | S | U | D | D | D | D | D | D | D |
6 | 5:3 | 5 мс | D | S | U | U | U | D | S | U | U | D |
Специальный субфрейм (S) всегда вставляется при смене направления передачи с нисходящего (DL) на восходящее и включает в себя 3 поля (см. Рис.3):
Special subframe configuration | Normal CP (UL и DL), OFDM/SC-FDMA символов | Extended CP (UL и DL), OFDM/SC-FDMA символов | ||||
DwPTS | GP | UpPTS | DwPTS | GP | UpPTS | |
0 | 3 | 10 | 1 | 3 | 8 | 1 |
1 | 9 | 4 | 1 | 8 | 3 | 1 |
2 | 10 | 3 | 1 | 9 | 2 | 1 |
3 | 11 | 2 | 1 | 10 | 1 | 1 |
4 | 12 | 1 | 1 | 3 | 7 | 2 |
5 | 3 | 9 | 2 | 8 | 2 | 2 |
6 | 9 | 3 | 2 | 9 | 1 | 2 |
7 | 10 | 2 | 2 | 5 | 5 | 2 |
8 | 11 | 1 | 2 | |||
9 | 6 | 6 | 2 | |||
10 | 6 | 2 | 6 |
Ширина канала, МГц | 1.4 | 3 | 5 | 10 | 15 | 20 |
Кол-во ресурсных блоков (NRB) | 6 | 15 | 25 | 50 | 75 | 100 |
Передача данных в сети радиодоступа 4G-LTE осуществляется транспортными блоками. Один транспортный блок передается в одном временном интервале (Transmission Time Interval, TTI) в выделенных пользовательскому терминалу ресурсных блоках. TTI имеет длительность 1мс и совпадает с субфреймом временной структуры радиоканала сети LTE. В зависимости от используемой на сети технологии MIMO в одном TTI возможна передача нескольких транспортных блоков (1, 2 или 4).
Распределение ресурсных элементов в сетях TD-LTE
В сетях TD-LTE ресурсные элементы линии «вниз» используются для:
Ресурсные элементы линии «вверх» используются для: