Технологии и режимы работы физического уровня

Физический уровень LTE базируется на трех главных технологиях: мультиплексирование посредством ортогональных несущих; многоантенные системы MIMO (Multiple Input Multiple Output); эволюционная архитектура сети. В сети LTE предусмотрена система тревожного оповещения PWS (Public Warning System), а также контроль специальных услуг. Предполагается развитие мультимедийных речевых услуг VoIP, широковещательных услуг и услуг определения местоположения абонентов.

Радиус действия базовой станции LTE меняется в зависимости от мощности передатчиков и используемого диапазона частот. Обычно составляет от 0,3 до 5 км, но при необходимости дальность действия может быть увеличена. Распространению современных мультимедийных сервисов способствует повышение скорости передачи данных—до 172,8 Мбит/с для восходящего соединения (от абонента до базовой станции, upload)) и до 300 Мбит/с для нисходящего соединения (от базовой станции к абоненту, download).

На сегодняшний день большая часть сетей LTE работает в парном спектре частот в режиме FDD (Frequency Division Duplex – дуплексный режим с частотным разделением каналов). В режиме FDD канал «вверх» UP(uplink) и канал «вниз» DL (downlink) расположены на отдельных частотах и имеют дуплексный разнос. Это облегчает использование различных типов модуляции. Постоянно растет интерес к режиму TDD (Time Division Duplex – дуплексный режим с временным разделением), когда прием и передача сигнала происходят на одной частоте, но с разделением во времени. Режим TDD имеет асинхронную природу. Пропускная способность зависит от вида модуляции и скорости кодирования. Выбирается, исходя из компромисса по обеспечению помехоустойчивости.

Организация радиоинтерфейса сети LTE

Обмен между базовой станцией и терминалом пользователя строится по принципу циклически повторяющихся кадров (в терминологии LTE – радиокадр). Длительность радиокадра составляет 10 мс. Временные параметры LTE привязаны к минимальному временному кванту Ts=1/(2048×∆f), где ∆f − шаг между поднесущими, стандартно ∆f = 15 кГц. Таким образом, длительность радиокадра составляет 307200Ts.

Стандарт LTE предполагает использование двух типов радиокадров. Тип 1 предназначен для частотного дуплекса FDD – как для полного дуплекса, так и для полудуплекса. Такой кадр состоит из 20 слотов (длительностью 0,5 мс каждый), нумеруемых от 0 до 19. Два смежных слота образуют субкадр (см. рис. 4.6).

Рисунок 4.6 - Структура кадра LTE при частотном разделении дуплексных каналов

Радиокадр типа 2 (см. рисунок 4.7) предназначен для временного дуплекса TDD. Он состоит из двух полукадров длительностью по 5 мс. Каждый полукадр содержит 5 субкадров длительностью 1 мс. В стандарте LTE - два цикла временного дуплексирования: 5 мс; 10 мс. В первом случае 1-й и 6-й субкадры идентичны и содержат служебные поля DwPTS, UpPTS и защитный промежуток GP. При цикле TDD длительностью 10 мс 6-й субкадр применяется 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. Возможны разные варианты длительности полей DwPTS, UpPTS и GP; их сумма равна 1 мс.

Рисунок 4.7 - Структура кадра LTE при TDD

В LTE принят стандартный шаг между поднесущими Δf = 15 кГц. Каждому активному абонентскому устройству в каждом слоте назначается диапазон канальных ресурсов в частотно-временной области (см. рис. 4.8).

Ячейка ресурсной сетки – так называемый ресурсный элемент –соответствует одной поднесущей в частотной области и одному OFDM-символу – во временной области. Ресурсные элементы образуют ресурсный блок – минимальную информационную единицу в канале, выделяемую абонентскому устройству планировщиком базовой станции.

О распределении ресурсов в каждом слоте базовая станция сообщает в особом управляющем канале. Ресурсный блок занимает 12 поднесущих (то есть 180 кГц) и 7 или 6 OFDM-символов, в зависимости от типа циклического префикса. Число ресурсных блоков NRB в ресурсной сетке зависит от ширины полосы канала и составляет от 6 до 110 (ширина частотных полос восходящего/нисходящего каналов в LTE – от 1,4 до 20 МГц). Длительность префикса 4,7 мкс дает возможность соперничать с задержкой отраженного сигнала, прошедшего путь на 1,4 км больше, чем прямо распространяющийся сигнал. Для систем сотовой связи в условиях города этого достаточно. Применение расширенного префикса 16,7 мкс обеспечивает подавление межсимвольной интерференции в ячейках радиусом до 120 км. Такие ячейки полезны для широковещательных сервисов, таких как мобильное телевизионное вещание. Особый случай представляет режим MBSFN (мультимедийный широковещательный сервис для одночастотной сети). В этом режиме несколько базовых станций в определенной MBSFN-зоне одновременно и синхронно транслируют общий широковещательный сигнал.

Рисунок 4.8 - Ресурсная сетка LTE при шаге Δf = 15 кГц

Каждая поднесущая модулируется посредством 4-, 16-и или 64-позиционной квадратурной фазово-амлитудной модуляции (QPSK, 16-QAM или 64-QAM). Соответственно, один символ на одной поднесущей содержит 2, 4 или 6 бит. Спецификации LTE определяют несколько закрепленных значений ширины восходящего и нисходящего каналов (см. таблицу 4.2).

Таблица 4.2-Параметры канала передачи между устройством