Новые технологии в стандарте LTE-A
Релизы стандарта E-UTRA, начиная с 10 релиза, позволяют увеличить скорость передачи данных в разы, используя пространственное мультиплексирование (до 8 независимых потоков данных) и агрегацию частотных полос. При агрегации полос приемник абонентской или базовой станций принимает одновременно несколько независимых сигналов в разных частотных полосах, которые могут располагаться в одном диапазоне или в разных диапазонах (рис. 6.11). Теоретически число агрегируемых полос может достигать 8 и более. Если приемник UE будет принимать 4 полосы по 20 МГц (т.е. суммарную полосу в 80 МГц), то при MIMO 4×4 и скорости передачи в одной полосе 75 Мбит/с, получим суммарную скорость сброса информации 1200 Мбит/с, что соответствует требованиям, предъявляемым к сетям радиодоступа 4 поколения: 1 Гбит/с вниз для медленно перемещающихся абонентов. Фактически в Rel.13 специфицирована абонентская аппаратура, способная принимать до 4 частотных полос шириной 20 МГц[6]. Варианты аппаратуры, способной принимать 5 и более полос, пока находятся на стадии разработки.
Особо следует сказать о диапазоне 46, введенном в Rel.13.1. Это нелицензированный диапазон, где работают сети Wi-Fi стандартов IEEE 802.11a, n, ac. Речь идет о технологии LAA (Licensed Assisted Access), где для увеличения пропускной способности вниз в качестве вторичных сот используют соты полосой в 20 МГц, по частотам совпадающие с каналами, выделенными для Wi-Fi. Передача вверх в этих сотах не предусмотрена. При этом возможна совместная работа в одном частотном канале двух сетей: LTE и Wi-Fi. Чтобы не допустить одновременного занятия частотного канала станциями двух стандартов в Rel.13 спецификаций LTE предусмотрена процедура LBT (Listen Before Talk) по аналогии с процедурой прослушивания канала в сетях Wi-Fi.
Рис. 6.11. Виды агрегации полос
Начиная с Rel.12, для повышения скорости передачи данных вниз введены модуляционно-кодирующие схемы с модуляцией 256-КАМ (таблица 6.6).
Таблица 6.6
| CQI индекс | Модуляция | Rкод x 1024 | Эффективность |
| Не используют | |||
| 4-ФМ | 0,1523 | ||
| 4-ФМ | 0,3770 | ||
| 4-ФМ | 0,8770 | ||
| 16-КАМ | 1,4766 | ||
| 16-КАМ | 1,9141 | ||
| 16-КАМ | 2,4063 | ||
| 64-КАМ | 2,7305 | ||
| 64-КАМ | 3,3223 | ||
| 64-КАМ | 3,9023 | ||
| 64-КАМ | 4,5234 | ||
| 64-КАМ | 5,1152 | ||
| 256-КАМ | 5,5547 | ||
| 256-КАМ | 6,2266 | ||
| 256-КАМ | 6,9141 | ||
| 256-КАМ | 7,4063 |
Характеристики абонентской аппаратуры, соответствующие Rel.13, представлены в табл. 6.7 – 6.9.
Таблица 6.7
| Категория UE | Параметры физического уровня вниз | Параметры физического уровня вверх | Параметры L2 | ||||
| Макс. число бит в канале DL-SCH в cубкадре1 | Макс. число бит в блоке DL-SCH в cубкадре2 | Макс. число бит, обрабатыв. при HARQ | Макс. число слоев при MIMO | Макс. число бит в канале UL-SCH в cубкадре | Модуляция 64-КАМ вверх | Объем буфера в кбайт | |
| нет | |||||||
| нет | |||||||
| нет | 1 400 | ||||||
| нет | 1 900 | ||||||
| есть | 3 500 | ||||||
| 149776 (4 слоя) 75376 (2 слоя) | 2 или 4 | нет | 3 300 | ||||
| 149776 (4 слоя) 75376 (2 слоя) | 2 или 4 | нет | 3 800 | ||||
| есть | 42 200 | ||||||
| 149776 (4 слоя) 75376 (2 слоя) | 2 или 4 | нет | 4 800 | ||||
| 149776 (4 слоя) 75376 (2 слоя) | 2 или 4 | нет | 5 200 | ||||
| 149776 (4 слоя – 64-КАМ) 195816(4 слоя – 256-КАМ) 75376 (2 слоя-64-КАМ) 97896 (2 слоя – 256-КАМ) | 2 или 4 | нет | 6 200 | ||||
| 149776 (4 слоя – 64-КАМ) 195816(4 слоя – 256-КАМ) 75376 (2 слоя-64-КАМ) 97896 (2 слоя – 256-КАМ) | 2 или 4 | нет | 6 700 |
Начиная с Rel.12, кроме таблицы 6.7, специфицирующей категории мобильных терминалов LTE вниз и вверх, введена альтернативная категоризация UE отдельно по направлениям вниз и вверх. В табл. 6.8 представлены категории UE вниз, а в табл. 6.9 – вверх. Категории 0 и М1UE введены для использования в сетях М2М с низкоскоростным трафиком.
Таблица 6.8
| Категория UE вниз (DL) | Макс. число бит в канале DL-SCH в cубкадре1 | Макс. число бит в блоке DL-SCH в cубкадре2 | Макс. число бит, обрабатыв. при HARQ | Макс. число слоев при MIMO |
| DL Категория М1* | ||||
| DL Категория 0 | ||||
| DL Категория 6 | 149776 (4 слоя) 75376 (2 слоя) | 2 или 4 | ||
| DL Категория 7 | 149776 (4 слоя) 75376 (2 слоя) | 2 и ли 4 | ||
| DL Категория 9 | 149776 (4 слоя) 75376 (2 слоя) | 2 или 4 | ||
| DL Категория 10 | 149776 (4 слоя) 75376 (2 слоя) | 2 или 4 | ||
| DL Категория 11 | 149776 (4 слоя, 64-КАМ) 195816 (4 слоя, 256-КАМ) 75376 (2 слоя, 64-КАМ) 97896 (2 слоя, 256-КАМ) | 2 или 4 | ||
| DL Категория 12 | 149776 (4 слоя, 64-КАМ) 195816 (4 слоя, 256-КАМ) 75376 (2 слоя, 64-КАМ) 97896 (2 слоя, 256-КАМ) | 2 или 4 | ||
| DL Категория 13 | 195816 (4 слоя) 97896 (2 слоя) | 2 или 4 | ||
| DL Категория 14 | ||||
| DL Категория 15 | 749856-798800 | 149776 (4 слоя, 64-КАМ) 195816 (4 слоя, 256-КАМ) 75376 (2 слоя, 64-КАМ) 97896 (2 слоя, 256-КАМ) | 2 или 4 | |
| DL Категория 16 | 978960 -1051360 | 149776 (4 слоя, 64-КАМ) 195816 (4 слоя, 256-КАМ) 75376 (2 слоя, 64-КАМ) 97896 (2 слоя, 256-КАМ) | 2 или 4 | |
| DL Категория 17 | 391656 (8 слоёв, 256-КАМ) | |||
| DL Категория 18 | 1174752-1206016 | 299856 (8 слоев, 64-КАМ) 391656 (8 слоёв, 256-КАМ)] 149776 (4 слоя, 64-КАМ) 195816 (4 слоя, 256-КАМ) 75376 (2 слоя, 64-КАМ) 97896 (2 слоя, 256-КАМ) | 2 или 4 [или 8] | |
| DL Категория 19 | 1566336 -1658272 | 299856 (8 слоев, 64-КАМ) 391656 (8 слоёв, 256-КАМ)] 149776 (4 слоя, 64-КАМ) 195816 (4 слоя, 256-КАМ) 75376 (2 слоя, 64-КАМ) 97896 (2 слоя, 256-КАМ) | 2 или 4 [или 8] | |
| * Станции категории М1 предназначены для работы в сетях М2М в узкополосном режиме с полосой 1,4 МГц |
Таблица 6.9
| Категория UE вверх (UL) | Макс. число бит в канале UL-SCH в cубкадре | Макс. число бит в блоке UL-SCH в cубкадре2 | Модуляция 64-КАМ вверх |
| UL Категория М1 | нет | ||
| UL Категория 0 | нет | ||
| UL Категория 3 | нет | ||
| UL Категория 5 | есть | ||
| UL Категория 7 | нет | ||
| UL Категория 8 | есть | ||
| UL Категория 13 | есть | ||
| UL Категория 14 | есть |
В Rel.13 также представлена новая технология LWA (LTE - WLAN Aggregation), позволяющая объединять работу сетей LTE и Wi-Fi. При этом сети LTE могут использовать частотные каналы сетей Wi-Fi в диапазоне 5 ГГц.
Другой характерной чертой сетей 4 поколения является неоднородность их структур. Наряду с макросетью, покрывающей большие территории, предполагается развертывание малых сот в местах повышенной плотности трафика, прежде всего, в домах, учреждениях и т.п. Малые соты могут быть организованы по той же структуре, как и макросоты (микро и пикосоты) или как фемтосоты.
Фемтосота (femtocell) ‒ это сота небольшого размера, устанавливаемая в квартире или офисе и обслуживаемая маломощной базовой станцией сотовой связи (мощность передатчика до 20 мВт). Такую станцию называют домашней базовой станцией Home eNodeB (HeNB).
Архитектура сети E-UTRAN с фемтосотами приведена на рис. 6.12.
Рис.6.12. Архитектура E-UTRAN с фемтосотами
Так как домашняя базовая станция располагается близко от мобильного терминала, последний работает с пониженной мощностью передатчика и значительно медленнее расходует заряд батареи. Как правило, в пределах комнаты на приемники UE и HeNB приходят радиосигналы с низким затуханием, что обеспечивает высокие отношения сигнал/помеха на входах приемников. Это дает возможность использовать в радиоканале высокоэффективные модуляционно-кодирующие схемы и технологии пространственного мультиплексирования, что позволяют увеличить число подписчиков на высокоскоростные услуги 4G. Фемтосоты также применяют для локального расширения зоны действия сети в зонах сильного затухания сигнала или даже за пределами радиуса действия основной сети.
Фемтосоты отличаются от макро – пикосот разделением абонентов на группы и категории в зависимости от их прав на подключение к HeNB. Есть фемтосоты, доступные для всех категорий абонентов, а есть фемтосоты, доступные только для закрытых групп пользователей CSG (Closed Subscriber Group). Такие фемтосоты подключают только тех абонентов, которые прописаны в их HeNB. Каждой CSG оператор присваивает специальный идентификатор CSG ID. Наконец, есть фемтосоты с гибридным доступом (Hybrid Access). Такие соты доступны всем пользователям, но абонентам, которые в них прописаны (т.е. входящим в соответствующие CSG), предоставляют приоритетное обслуживание.
Подключение фемтосот к сети осуществляют, как правило, через специальный фемтошлюз HeNB Gateway (GW), рис. 6.12.
Наконец, начиная с 2016г. операторы LTE стали внедрять на действующих сетях услугу мультимедийного вещания (eMBMS - Evolved Mutimedia Broadcast Multicast Service). В сетях радиодоступа передача видеотрафика занимает всё бóльшее место. При этом существуют три способа получения абонентами видеотрафика: одноадресный (unicast), широковещательный (broadcast) и групповой (multicast). Одноадресный способ используют все абоненты при подключении к сети LTE. Широковещательной рассылкой, например, является телевещание. Адресатами многоадресной рассылки (групповой вариант) являются пользователи, заранее оформившие подписку на конкретную услугу. При этом видеотрафик сбрасывают только в те соты, где находятся абоненты, запросившие данную услугу, и соты, куда они могут перемещаться в процессе движения.
Технология eMBMS подразумевает использование широковещательного или группового способа. Она эффективна, когда большое количество пользователей, находящихся в определенной географической зоне, запрашивает одновременно одинаковый контент. Использование одноадресной рассылки в этом случае требует значительных ресурсов радиосети и ядра сети, что приводит к перегрузкам сети и снижению качественных показателей.
Архитектура сети LTE при организации MBMS приведена на рис. 6.13.
Рис. 6.13. Архитектура сети LTE с поддержкой eMBMS
Опишем новые функциональные элементы и интерфейсы, обеспечивающие передачу еMBMS.
Центральным элементом архитектуры является Центр услуг MBMS: BM-SC (Broadcast/Multicast Service Center). Он принимает от провайдера и передаёт в сеть MBMS-контент, управляет широковещательными сессиями (сеансами) связи, ведёт учёт трафика, хранит базу подписчиков и расписание вещательных услуг, осуществляет доставку информации о наличии и начале сеансов связи абонентам, подписавшимся на услуги MBMS. Каждой сессии MBMS BM-SC назначает идентификатор сессии и класс обслуживания QoS. BM-SC также обеспечивает недоступность передач MBMS для абонентов вне списка подписчиков, организуя шифрацию контента и распределение ключей для его дешифрации по абонентским терминалам.
MBMS-шлюз (MBMS-GW) распределяет контент по базовым станция, входящим в область вещания. При получении трафика по интерфейсу SGi-mb MBMS-GW выделяет IP-multicast адрес и рассылает принятые данные на соответствующие eNB по интерфейсу М1. MBMS-GW может быть отдельным сетевым элементом или элементом, совмещённым с BM-SC, S-GW или PDN-GW.
MCE (Multi-cell/multicast Coordination Entity) может быть отдельным сетевым элементом или встроенным в eNB. MCE выполняет следующие функции:
– управление доступом и выделение радио ресурсов в тех eNB, которые передают MBMS;
– выбор модуляционно-кодирующей схемы (MCS);
– хранение и распределение приоритетов контента ARP (Allocation and Retention Priority). На основании ARP MCE может отказать в предоставлении новой услуги MBMS при недостатке радио ресурса или отобрать часть ресурсов от одной услуги MBMS в пользу другой;
– инициирование и проведение подсчёта числа пользователей услугами MBMS;
– прекращение или возобновление услуги MBMS в зависимости от числа пользователей и приоритета ARP.
В технологии eMBMS не предусмотрено повторной передачи непринятых пакетов (HARQ). С целью поддержки гарантированного качества услуг QoS используют избыточное кодирование. Модуляционно-кодирующую схему для передачи данных MBMS выбирают, исходя из наихудших условий в соте. Таким образом, сервис остаётся доступным абонентам, находящимся на границе соты или в зоне слабого покрытия сети. В ряде услуг MBMS возможен запрос недостающих сегментов файла путём обычного одноадресного соединения с сервером, но этот алгоритм может быть запущен только после окончания сессии.
При использовании классического вещания оператор не может определить качество предоставленных услуг каждому пользователю. Поэтому в eMBMS предусмотрен сбор пользовательских отчетов QoE (Quality of Experience), которые содержат количество потерянных потоковых HTTP-сегментов. Каждый пользовательский терминал отправляет эти отчёты посредством одноадресного соединения
Особенностью eMBMS является синхронное вещание, когда передачи в соседних сотах ведут, используя одни и те же ресурсные блоки и синхронизируя передаваемые сигналы. Это приводит к снижению помех и увеличению уровня принимаемого сигнала на границе сот.
[1] GSM – Global System for Mobile Communications, UMTS – Universal Mobile Telecommunications System
[2] Согласно спецификациям стандарт называется UTRA-FDD (Universal Terrestrial Radio Access – Frequency Division Duplex)
[3] Один из двух возможных вариантов
[4] Один из двух возможных вариантов
[5] При использовании MIMO для некоторых категорий станций число форматов сокращено до 15.
[6] В Rel.13 прописаны отдельные варианты агрегации частотных полос до 100 МГц.