Управление частотным ресурсом в сетях LTE

Поскольку в сетях LTE используют динамическое управление ресурсом, планировщик также относится к классу динамических (Dynamic Packet Scheduler - динамический пакетный планировщик). Как было показано в гл.3, выделение ресурсных блоков (РБ) производят для каждого субкадра длительностью в 1 мс. В соответствии с указаниями планировщика для всех передаваемых потоков уровень МАС начинает выставлять в виде блоков на передачу пакеты различных потоков данных. При этом МАС определяет форматы транспортных блоков (число выделяемых ресурсных блоков и типы модуляционно-кодирующих схем). Решения о распределении канального ресурса планировщик принимает на основе установленных динамических приоритетов передач и сообщений CQI, передаваемых абонентскими станциями. При неприеме пакетов, используя технологию HARQ, планировщик решает, передать ли следующий блок данных абоненту или повторить непринятый. Комбинацию этих вариантов в одном субкадре не допускают.

Для увеличения пропускной способности системы используют технологию планирования передачи пакетов в частотной области FDPS (Frequency Domain Packet Scheduling). Принцип FDPS проиллюстрирован рис. 8.4.

Рис.8.4. Выделение канального ресурса в частотной области

В соответствии с постоянно поступающей информации о качестве приема (CQI), передаваемой вверх активными UE, планировщик выделяет абонентам ресурсные блоки в тех частях рабочей полосы, где условия приема наилучшие. При использовании FDPS возможен 40%-ый выигрыш в пропускной способности при низких скоростях перемещения UE, но при увеличении скоростей движения абонентов выигрыш уменьшается. Последнее обусловлено тем, что радиоканал не может быть точно отслежен в реальном времени из-за задержки на линии вверх при передачи CQI. При медленных перемещениях абонента планировщик может отслеживать быстрые селективные замирания на различных частотах рабочей полосы и выбирать для множества активных абонентов оптимальные варианты распределения канального ресурса от субкадра к субкадру.

Более сложно обстоит ситуация с распределением канального ресурса между соседними базовыми станциями, в частности между базовыми станциями, обслуживающими сектора одного eNB. Для снижения уровня соканальных помех при малой загрузке системы общий канальный ресурс может быть поделен между соседними сотами в соответствии с нагрузкой в этих сотах (рис. 8.5). Такое распределение РБ называют дробным (fractional).

Рис.8.5. Планирование в частотной области при дробном распределении канального ресурса

Однако на практике при нагрузке в сети, близкой к предельной, такое простое распределение канального ресурса не является оптимальным. Для сетей LTE разработаны различные механизмы управления уровнем соканальных помех в соседних сотах ICIC (Inter-Cell Interference Control). Механизмы ICIC основаны на динамическом распределении канального ресурса между сотами и управлении мощностью передачи. По интерфейсам Х2, соединяющим соседние eNB, идет обмен сообщениями об уровнях соканальных помех и другой информацией в рамках команд Х2-АР (рис. 2.3). Каждый eNB уведомляет соседние eNB о том, как он собирается использовать канальный ресурс для своих абонентов. При этом он учитывает информацию, полученную от планировщиков соседних eNB по интерфейсам Х2. На практике могут быть реализованы комбинации различных сценариев распределения канального ресурса.

При жестком дробном распределении канального ресурса весь ресурс разбивают на 3 части (коэффициент повторного использования частот равен 3) – рис.8.6. При сплошном покрытии территории используют трехсекторные структуры eNB (рис.8.7), где для простоты шестиугольные сектора заменены ромбами, а канальный ресурс поровну распределен между 3-мя секторами. На рис.8.7 показаны траектории, позволяющие определить отношение сигнал/суммарная помеха для абонентской станции в точке М, максимально удаленной от обслуживающего eNB (точка О на рис. 8.7). В точке М отношение сигнал/суммарная помеха будет наихудшим (минимальным), но при жестком дробном распределении канального ресурса оно в зависимости от условий распространения радиоволн может превышать 8 – 10 дБ.

Рис. 8.6. Метод жесткого повторного использования частотного ресурса

Рис. 8.7. К определению отношения сигнал/помеха при жестком повторном использовании частотного ресурса

Однако жесткое дробное распределение канального ресурса резко снижает трафик в каждом секторе, а следовательно и в сети в целом. Поэтому на практике реализуют мягкое повторное использование частот (рис. 8.8).

Рис. 8.8. Метод мягкого повторного использования частотного ресурса

Идея метода состоит в том, что для UE, находящихся вблизи eNB, используют весь частотный ресурс (коэффициент повторного использования частот равен 1), но передатчики в этом случае работают с пониженной мощностью. Для станций, расположенных на границе сот, коэффициент повторного использования частот равен 3, и в каждом секторе для обслуживания таких станций выделяют 1/3 общего канального ресурса. Помеховая ситуация для данного варианта проиллюстрирована рис. 8.9. Области, где коэффициент повторного использования частот равен 1, закрашены темным цветом. Для UE на границе соты (в точке М) отношение сигнал/суммарная помеха будет хуже, чем при жестком использовании канального ресурса (рис. 8.7). Однако, поскольку это отношение будет динамически меняться во времени, каждый eNB может адаптивно изменять области полного и частичного использования канального ресурса, менять используемые при передаче модуляционно-кодирующие схемы, достигая максимума передаваемого в сети трафика.

Рис. 8.9. К определению отношения сигнал/помеха при мягком повторном использовании частотного ресурса

Как было сказано в гл.4, выбор блоков на передачу, выбор модуляционно-кодирующей схемы и выделение ресурсных блоков осуществляет ПО уровня МАС. Весь этот процесс происходит в реальном времени под руководством планировщика (scheduler). Планировщик представляет собой программный продукт, разрабатываемый и поставляемый производителем аппаратуры. Назначение планировщика состоит в максимизации пропускной способности отдельных сот и сети в целом. Скорости, с которыми идет обмен данными между eNB и абонентскими терминалами, зависят от отношения сигнал/помеха на входах соответствующих приемников. Планировщик собирает данные о скоростях передачи, запрашиваемых различными UE, и решает, какие терминалы будут обслуживаться в каждом конкретном субкадре и с какими скоростями.

В каждом субкадре планировщик назначает приоритеты различным пользовательским каналам трафика, на основе которых идет выделение (или невыделение) канального ресурса конкретным абонентам. Основным алгоритмом работы планировщика является пропорционально-справедливый алгоритм.

. Приоритет m-го пользовательского канала для n-го субкадра рассчитывают по формуле

, (8.1)

где R_m(n) – скорость передачи данных, определяемая выбором модуляционно-кодирующей схемы в зависимости от отношения сигнал/помеха на входе соответствующего приемника,

T_m(n) – взвешенный объем ранее переданной информации по данному соединению. Значение T_m(n+1) для (n+1)-го субкадра определяют как

, если в субкадре n была передача,

, если в субкадре n не было передачи.

Величину t_c называют окном передачи: это длительность передачи, выраженная числом субкадров. Уменьшая t_c, можно повышать приоритет соединений, передаваемых в квазиреальном времени (потоковый трафик). Для соединений, которые не критичны к задержкам (t_c велико), планировщик выбирает для передачи те субкадры, в которых может быть обеспечена максимальная скорость R_m(n).

Если для всех соединений установлен большой t_c (в пределе ∞), то пропорционально-справедливый алгоритм максимизирует функцию.

, (8.2)

11. Стандарт IEEE 802.16 ‒ WiMAX. Основные характеристики

Развитие стандарта WiMAX

Стандарт WiMAX – Worldwide interoperability for Microwave Access, впервые появился в конце 2001г. В соответствии с иерархией стандартов беспроводного доступа он относится к классу MAN (Metropolitan Area Network). По пропускной способности, покрытию территории и предоставляемым услугам WiMAX превосходит стандарт Wi-Fi (IEEE802.11) класса LAN (Local Area Network), позволяя при развитой инфраструктуре организовывать региональные, национальные и даже глобальные сети.

На физическом уровне в стандарте WiMAX используют 2 принципиально разные технологии. Данные можно передавать, модулируя одну несущую частоту (SC – Single Carrier) или множество поднесущих – технология OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).При в режиме SC к радиоканалам предъявляют те же требования, что и в радиорелейных сетях: использование только прямых лучей и применением узконаправленных антенн, подавление всех отраженных лучей с целью устранения межсимвольной интерференции. Поэтому технологию SC невозможно применять в сетях массового пользования с многолучевым распространением радиоволн в каналах связи.

Переход к технологии OFDM, позволяющей устранить межсимвольную интерференцию, произошел в 2004г.после появления нового стандарта WiMAX: 802.16-2004. В следующей версии стандарта были существенно изменены параметры OFDM. Был сделан переход к масштабируемой OFDM: число используемых поднесущих стало зависеть от рабочей полосы (SOFDM), а абоненту стали выделять определенное число подканалов (SOFDMA ‒ Scalable OFDM Access). Появилась возможность организации хэндоверов. Этот вариант стандарта WiMAX получил название мобильного WiMAX или стандарта 802.16е. Вариант 802.16е является основным в действующих сетях WiMAX. Последние 4 года его постоянно модернизировали. В частности он был дополнен стандартами 802.16i и 802.16j. Последний позволяет расширять действующие сети, используя ретрансляторы. Сейчас действует основной вариант спецификаций WiMAX от 29.05.2009: “IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Broadband Wireless Access Systems” [27].

В настоящее время завершается работа над новым вариантом стандарта WiMAX – 802.16m. Он предназначен для организации сетей с пропускной способностью выше 100 Мбмит/с и для поддержки ряда новых перспективных услуг. Этапы развития стандарта WiMAX представлены в табл. 11.1.

Таблица 11.1

Стандарт	Принят	Полосы частот, ГГц	Мобильность	Технологии	Ширина канала, МГц
802.16	12.2001	11 - 66	нет	Одна несущая (SC)	20, 25, 28
802.16-2004	06.2004	2 - 11	нет	SC или OFDM (256)[8]	1,75; 3,5; 7; 14; 1,25; 5; 10; 15; 8,75
802.16е	12.2005	11 - 66 2 - 11 (фикс.) 2 - 6 (моб.)	есть	SC или OFDM (256), или SOFDM (128, 512, 1024, 2048)	1,25; 5; 10; 20
802.16k		11 - 66 2 – 11 (моб.)	есть	SC или OFDM (256), или SOFDM (128, 512, 1024, 2048)	1,25; 5; 10; 20
802.16-2009		Те же	есть	Те же + 802.16i	Та же
802.16j		Те же	есть	Те же + ретрансляция	Та же
802.16m	Разработка	Ниже 3,6	есть	SOFDMA	1 ‒ 20