systémů Pozemní mobilní komunikace s důrazem na systém LTE /LTE-A

Transkript

1 systémů Pozemní mobilní komunikace s důrazem na systém LTE /LTE-A 1. Přehled vývoje veřejné pozemní mobilní komunikace 2. Progresívní technologie v pozemní komunikaci 3. Systémy GSM-EDGE, UMTS a WiMAX 4. Systém LTE a systém LTE -A/SAE Doc. Ing. Václav Žalud, CSc Katedra radioelektroniky FEL, ČVUT v Praze zalud@fel.cvut.cz Doc. Ing. Václav Žalud, CSc

2 1. Přehled vývoje veřejné pozemní 1. P ř e h l e d v ý v o j e v e ř e j n é p o z e m n í mobilní komunikace Počátky pozemní mobilní rádiové komunikace Objev buňkových struktur a jejich další vývoj Klasifikace a vývoj veřejných sítí pozemní komunikace Frekvenční, časový a kódový mnohonásobný přístup Ortogonální frekvenční multiplex OFDM

3 Začátky pozemní mobilní komunikace (1921) předcelulární éra First Mobile Radio Telephone Detroit 1921 město Detroit (průměr 60 km) modulace AM f = 2,0-2,6 MHz THE PUBLIC HOUSE Base Station Mobile Station Jediná základnová stanice v centru města zajišťovala rádiový provoz na území celého Detroitu (zhruba kruh o průměru cca 60 km), a to pomocí asi 80 rádiových kanálů (B RF = 8 khz, celkové pásmo v oblasti krátkých vln cca 2,0 až 2,64 MHz). Tyto kanály se nesmějí z důvodů možného rušení opakovat ve vnější interferenční zóně v podobě kruhu o pětinásobném průměru 5x60 = 300 km. K totálnímu pokrytí celého území USA by potom bylo zapotřebí celkem 25x80 = kanálů, tj. celkové šířky pásma 8x2000 = khz, tj. 16 MHz, která však není ani fyzicky v pásmu krátkých vln realizovatelná. Řešením efektivního pokrytí libovolně velkých území, s omezenými počty rádiových kanálů, jsou buňkové sítě, jejichž principy byly poprvé formulovány až v roce 1946, v laboratořích firmy Bell Systems. Klíčem k vysoké spektrální účinnosti zde jsou malé rozměry dílčích buněk, které umožňují opakovat s malými odstupy již použité frekvence..

4 Podstata buňkových mobilních sítí generace 1G a 2G buňkové sítě byly specifikovány r. 1947, avšak poprvé byly použity až v r PSTN telefonní ústředna The cellular concept: D. H. Ring of AT&T Bell Laboratories, 1947 Rozměry buněk (ekvivalentní průměr): piko buňky...10 až 100 m mikro buňky až 1000 m malé makro buňky...1km až 3 km velké makro buňky...3 km až 30 km radiotel. ústředna MSC PSTN = Public Switching Telephone Networks MSC = Mobile Switching Centre základnová stanice mobilní stanice svazek buněk: čtyři sousední buňky vytvářejí svazek (cluster) o rozměru N = 4 (obvykle N = ); každá z nich má přidělen svůj soubor kanálů, takže se vzájemně neruší; kanály určité buňky však lze opakovat již v sousedním svazku, aniž by hrozilo nebezpečí jejich vzájemného rušení základní přednost buňkových systémů: díky velmi malým rozměrům buněk mají vysílače základnových stanic malé výkony a tudíž rádiové kanály přidělené určité buňce se mohou opakovat v jiných, poměrně blízkých buňkách sousedních svazků. Díky tomu s relativně malým počtem kanálů lze poskytovat služby prakticky neomezenému počtu uživatelů kompletního, neomezeně rozlehlého buňkového systému. Je zde tedy možné dosahovat libovolně vysoké spektrální účinnosti systému, avšak za cenu zvyšujícího se počtu základnových stanic ve stále se zmenšujících buňkách

5 Vývoj evropských buňkových standardů GSM (2G) UMTS/HSPA (3G) LTE/WiMAX (4G) pouze změny softwaru (spojení 4 čas. slotů) + nové mobilní stanice 9,6 kbit/s 14,4 kbit/s TDMA (2G) CDMA (3G) OFDM (~4G) Time Division Multiple Access přepojování okruhů (CS) GSM 4; 5; 6 změny softwaru i hardwaru (nové kódování: 48 kbit/s/slot) 5 57,6 kbit/s = 4x14,4 kbit/s Code Division Multiple Access HSCSD 144 kbit/s E-HSCSD 1; 2; 3 GPRS nová síť (RAN i CN) změny softwaru i hardwaru + nové mobilní stanice + nové mobilní stanice 2; 3 115,2 kbit/s (28,8-57,6 kbit/s) E-GPRS přepojování nové kódování: 3 paketů (PS) 48 kbit/s/slot 384 kbit/s 4 6 EDGE Orthogonally Freq. Division Multiplex nová síť (RAN i CN) + nové mobilní stanice 1; 6 5 GSM: Global System for Mobile Communicatios HSCSD: High Speed Circuit Switched Data GPRS: General Packet Radio Service; EDGE: Enhanced Data Rates for GSM Evolution; E-HSCSD: Enhanced HSCSD; E-GPRS: Enhanced GPRS; E-EDGE: Evolved EDGE; UMTS: Universal Mobile Telecommunications System; HSPA: High Speed Packet Access (HSDPA&HSUPA) LTE: Long Term Evolution; SAE: System Archit. Evol. LTE-A: Long Term Evolution-Advanced 2 E-EDGE UMTS HSPA DL: 14,4 Mbit/s UL: 5,76 Mbit/s B RF = 5 MHz DL: 1894,4 kbit/s; UL: 947,2 kbit/s (64QAM, MSRD, MCDL, MS type 2 WiMAX 2.0 IEEE m Flash OFDM / UMB LTE-A SAE LTE/SAE DL/UL: 326,4/86,4 Mbit/s (DL: OFDM, 4x4 MIMO; UL: SC-FDMA: 64QAM); B RF = 1,25/2,5/5/10/15/20 MHz ve schematu jsou uvedeny špičkové přenosové rychlosti; rychlosti dostupné v praxi jsou znatelně nižší rok

6 Frekvenční, časový a kódový multiplex FDM, TDM, CDM způsob kódování (výkon) Shannonův informační hranol představuje celkové množství informací, pocházejících od více nezávislých informačních zdrojů, které je zapotřebí přenést během doby Tt v pásmu B RF, při dynamice DR čas t šířka pásma B RF frekvence f dynamika DR doba přenosu T t frekvenční, časové a kódové dělení FDM, TDM a CDM tři základní principy dělení informačního hranolu jsou: frekvenční, časové, kódové (nově též dělení prostorové) kód t TDM Reeves 1937 CDM Lamarrs 1942 amplituda amplituda spektrum signálu FDM ochranný interval f ochranný interval t frekvence f časové rámce signálu TDM čas. rámec FDM = Frequency Division Multiplex; TDM = Time Division Multiplex; FDM = Code Division Multiplex f FDM Marconi 1896 čas t Vedle klasických metod multiplexu FDM, TDM a CDM se po roce 2000 začíná uplatňovat také prostorový multiplex SDM (Space Division Multiplex), založený na technice více antén MIMO, vytvářející nekorelované rádiové přenosové kanály; těmi lze potom přenášet nezávislé informační toky více uživatelů, nebo zvýšit datovou rychlost jediného uživatele, a to při nezvětšené šířce RF pásma a při nezvětšeném výkonu vysílače.

7 Frekvenční multiplex FDM a ortogonální frekvenční multiplex OFDM amplituda způsob kódování (výkon) Shannonův informační hranol představuje celkové množství informací, pocházejících od více nezávislých informačních zdrojů, které je zapotřebí přenést během doby Tt v pásmu B RF, při dynamice DR čas t Vedle klasických metod multiplexu FDM, TDM a CDM se po roce 2000 začíná uplatňovat také prostorový multiplex SDM (Space Division Multiplex), založený na technice více antén MIMO, vytvářející nekorelované rádiové přenosové kanály; těmi lze potom přenášet nezávislé informační toky více uživatelů, nebo zvýšit datovou rychlost jediného uživatele, a to při nezvětšené šířce RF pásma a při nezvětšeném výkonu vysílače. doba přenosu T t Vedle klasických metod multiplexu FDM, TDM a CDM se po roce 2000 začíná uplatňovat také prostorový multiplex SDM (Space Division Multiplex), založený na technice více antén MIMO, vytvářející nekorelované rádiové přenosové kanály; těmi lze potom přenášet nezávislé informační toky více uživatelů, nebo zvýšit datovou rychlost jediného uživatele, a to při nezvětšené šířce RF pásma a při nezvětšeném výkonu vysílače. šířka pásma B RF frekvence f dynamika DR frekvenční, časové a kódové dělení FDM, TDM a CDM tři základní principy dělení informačního hranolu jsou: frekvenční, časové, kódové (nově též dělení prostorové) kód t f FDM Marconi 1896 TDM Reeves 1937 CDM Lamarrs 1942 amplituda amplituda spektrum signálu FDM ochranný interval f frekvence f spektrum signálu FDM časové spektrum rámce signálu signálu OFDM TDM f = 1/t s ochranný interval t sin(x)/x čas. rámec čas t frekvence f Ortogonální frekvenční multiplex OFDM: u OFDM jsou subnosné vlny relativně velmi blízko u sebe, takže v případě, že jsou modulovány, jejich modulační spektra typu sin(x)/x se vzájemně překrývají; díky ortogonalitě však zde nedochází mezi nimi k interferencím. Avšak již při nepatrném narušení podmínek ortogonality (vlivem frekvenčního ofsetu subnosných vln, úniků v rádiovém kanálu ap) vznikají výrazné interference ICI (Inter Carrier Interference)

8 Modulace vyšších řádů využívané v LTE (HOM = High Order Modulations) BPSK QPSK 1 bit/s/hz rozptylení konstelačních bodů v přijímači vlivem šumů, rušení ap. 2 bit/s/hz 64QAM Konkrétní příklad: Systém s rádiovou šířkou pásma B RF = 1 MHz může dosahovat v závislosti na formátu použité modulace přenosových datových rychlostí f b : modulace BPSK: 1 Mbit/s modulace QPSK: 2 Mbit/s modulace 16QAM: 4 Mbit/s modulace 64QAM: 6 Mbit/s 4 bit/s/hz 16QAM 6 bit/s/hz S rostoucím počtem modulačních stavů se zvětšuje spektrální účinnost h s = f b /B RF, takže při neproměnném pásmu B RF se zvětšuje dosažitelná přenosová rychlost f b. Současně se však také zvětšuje potřebný poměr E b /N 0, = S.B RF /f b.n, takže pro zachování stanovené chybovosti BER, je nezbytné zvyšovat energii E b připadající na jeden datový bit; to lze realizovat zvyšováním výkonu vysílače S, resp. zisku antén ap. Při narůstajícím řádu (počtu stavů) dané modulace se zvyšuje potřebný poměr E b /N 0, tedy se snižuje jejich energetická účinnost: mod. BPSK: E b /N 0 = 10,5 db mod. QPSK: E b /N 0 = 10,5 db mod. 16QAM: E b /N 0 = 15,0 db mod. 64QAM: E b /N 0 = 18,5 db Přímo úměrně zvětšování poměru E b /N 0 se musí pro zachování neměnné chybovosti BER zvyšovat výkon vysílače, resp. zisk vysílací nebo přijí-mací antény; stejný efekt přináší též zmenšování šumového čísla F [db] přijímače.

9 Latence přenosu buňkových standardů a časový interval TTI latence přenosu [ms] R87 R99 R4 R99 Latence přenosu v komunikační síti je obvykle definována jako obousměrná průběžná doba RTT (Round-Trip-Time), potřebná k přenosu určitého bloku dat, vcházejících ze síťové do linkové vrstvy, v uzavřeném okruhu (např. na okruhu: vysílač MS přijímač BS přijímač MS) Přenosový časový interval TTI (Transmission Time Interval) je definován, jako doba potřebná k vyslání jediného rádiového bloku; TTI má přímý vliv na dobu RTT. V přijímači musí být totiž přijat vždy celý blok, tak aby mohl být dekódován, takže TTI určuje základní neostranitelnou složku latence přenosu (u LTE je TTI = 1 msec, u WiMAX je TTI = 5 ms)

10 2. Progresívn vní technologie v pozemní komunikaci Šířen ení rádiových vln v pozemních rádiových r kanálech Mnohonásobný přístup p TDMA /FDMA v sítích s GSM Technika rozprostřen eného spektra DS SS (přístup CDMA) Multiplex OFDM, a SC-FDMA resp. DFT-S-OFDM Technologie více v antén n SIMO, MISO a MIMO

11 Buňkové struktury s různým opakovacím činitelem RF, aplikované v mobilních systémech generací 3G a 4G RF = 3 (systémy 2G: GSM...) RF = 1 (systémy 3G: UMTS...) RF = (systémy 4G: LTE...) S2 S2 S3 S2 S3 S3 S1 S1 S1 a) b) c) výkon S1 S2 výkon S1 S2 výkon S1 S2 frekvence S3 frekvence S3 frekvence S3 a) Typická buňková struktura systémů 2G s přístupem TDMA (GSM ap), s činitelem opakování frekvencí RF (Reuse Factor = 1/ Cluster Size) 3; obvyklé hodnoty RF zde bývají RF = , přičemž zvyšování RF vede k většímu potlačení interferencí, avšak za cenu snižování buňkové propustnosti. b) Buňková struktura systémů 3G s přístupem CDMA (UMTS, cdma2000 ap), s činitelem opakování frekvencí RF =1; opakování frekvencí v sousedních buňkách je zde umožněno díky individuálnímu kódování každého účastnického signálu pomocnými pseudonáhodnými resp. ortogonálními kódy. Vede k vysoké propustnosti systému, která je však placena vyšším nebezpečím interferencí (MAI). c) Buňková struktura systémů ~ 4G s přístupem OFDM (LTE aj), s proměnným činitelem opakování frekvencí RF = , označovaným jako měkké opakování frekvencí SFR (Soft Frequency Reuse).

12 Mnohocestné šíření rádiových vln v pozemních kanálech, frekvenčně selektivní a ploché úniky vyslaný radioimpulz o šířce T s okamžitý výkonový profil zpoždění IPDP (instantaneous power delay profile) a spektrální hustota PDF (power delay function) s(t) t výkonový profil zpoždění IPDP přijímané radioimpulzy r(t) (impusní odezva) 1 2 T m 3 mezní citlivost přijímače t Profil IPDP pro případ, kdy T s << T m : frekvenčně selektivní únik ( FT výkon. spektrální hustota PDF B c B s ISI) f THE PUBLIC HOUSE NLOS LOS NLOS výkonový profil zpoždění IPDP 1 2 T m 3 mezní citlivost přijímače t IFT výkon. spektrální hustota PDF B c B s f LOS = Line of Sight; NLOS = Non LOS Profil IPDP pro případ, kdy T s >> T m : plochý únik ( snížení SNR) T s (symbol time) = symbolová perioda; B s (signal bandwidth) = šířka pásma signálu (B s ~ 1/T s ); S( ) (multipath intenzity profile) = mnohocestný profil zpoždění; T m (instantaneous excess delay) = okamžité nadměrné zpoždění; = rms nadměrné zpoždění; B c (coherence bandwidth) = koherentní (korelační) šířka pásma (B c ~ 1/ ); T c = (channel coherence time) = doba koherence kanálu; B D ~1/T c = dopplerovský rozptyl frekvence

13 Mnohonásobný přístup TDMA/FDMA a frekvenční duplex FDD v systému GSM Mnohonásobný přístup TDMA/FDMA Realizace fyzických kanálů ve vysílači GSM odstup nosných 200 khz fyzický kanál, určený frekvencí f n+1 a časovým slotem 0 (TSL0) spojitý hovorový signál komprimovaný burst ve slotu TSL3 frekvence f n+1 f n f n GSM kanál B G = 200 khz 8 x 0,577 = 4,615 ms rámec TDMA slot TSL 0,577 ms t [ms] maximální uživatelská přenosová rychlost v jednom slotu za 1 sekundu R TSL = 22,8 kbit/s Frekvenční duplex FDD (GSM900) partnerské kanály Tx/Rx - duplexní odstup f DX = 45 MHz 45 MHz 200 khz 20MHz 890 MHz trasa UL, šířka pásma B UL = 25 MHz 124 kanálů o šířce pásma 200 khz 915 MHz 935 MHz 960 MHz trasa DL, šířka pásma B DL = 25 MHz frekvence f 124 kanálů o šířce pásma 200 khz duplex FDD: trasy UL a DL mají své individuální nosné vlny, partnerské spojení využívá dvě nosné s duplex. odstupem 45 MHz

14 Technika s přímým rozprostíráním spektra DS-SS jako základ mnohonásobného přístupu CDMA/FDMA rozprostřený datový signál u( t) 1 mod 2 m( t) 1 vstupní data f b Technika rozprostřeného spektra s přímým rozprostíráním kódovou posloupností DS SS (Direct Sequence Spread Spectrum) p( t) 1 signatura f ch modulátor BPSK,... rozprostřené spektrum v rádiovém pásmu B RF s(t) r(t) násobič cos c ( t) cos c ( t) nosná vlna f ch >> f b nosná vlna dolní propust p * ( t) 1 signatura f ch 1 T b ( i 1) T b it b korelátor I & D vzorky t ( i 1) T b rozhodovací obvod I & D = Integrate and Dump mˆ ( t) výstup data a) generátor PNP totožné rozprostírací signály generátor PNP Systém s rozprostřeným spektrem DS-SS (Direct Sequence Spread Spectrum) je základem přístupu s kódovým dělením W-CDMA (Wide-Code Division Multiple Access), využívaném v systému UMTS. Přístup W-CDMA je založen na technice rozprostřeného spektra s přímou modulací kódovou sekvencí DS-SS (Direct-Sequence Spread Spectrum). Ve vysílači je na datový signál o bitové rychlosti f b nejprve ve členu modulo 2 (hradlo X-OR) aplikována místně generovaná rozprostírací pseudonáhodná (PN) posloupnost (signatura) o čipové rychlosti f ch >>f b.výstupní signál tohoto kódového modulátoru má potom rovněž zvýšenou rychlost f ch a tím i podstatně širší spektrum vůči spektru datového signálu. Tímto signálem je dále v datovém modulátoru (BPSK, QPSK) modulována nosná vlna o frekvenci f c. Přenášený rozprostřený signál se v přijímači nejprve demodulací převede do základního pásma. V korelátoru je za pomoci PN posloupnosti, shodné s PN posloupností vysílače, avšak synchronizované s přijímaným signálem, získáván původní komprimovaný datový signál o rychlosti f b. Ten dolní propust korelátoru bez problémů propouští, kdežto nežádoucí rozprostřené signály (další účastníci multiplexu, interference ap) výrazně potlačuje.

15 Ortogonální frekvenční multiplex OFDM T s = nt b =R b / n data vstup R b ; T b = 1/R b data vstup R b ; T b = 1/R b Výchozí systém OFDM s velkým počtem elementárních modulátorů a demodulátorů SPC SPC modulátory BPSK (DSB) cos c1 t cos c2 t cos cn t rádiový kanál s rozptylem d šíření mnohocest. složek OFDM d << nt b = T s signál OFDM, připomínající šum t OFDM demodulátory BPSK (DSB) cos c1 t cos c2 t cos cn t PSC data výstup R b =1/T b Moderní realizace systémů OFDM s monolitickými procesory IFFT/FFT blok OFDM blok OFDM IFFT PSC DAC RF OFDM OFDM t RF ADC SPC podmínka ortogonality: f c = 1/T s přeložená spektra subnosných vln f 0 f 1 f 2 f j f k = f j + f c f soustava ("mřížka") ortogonálních nosných vln, s přeloženými spektry U OFDM se vstupní rychlý datový tok (s krátkou periodou T b ) rozdělí do většího počtu n paralelních složek, s podstatně delší bitovou periodou nt b ; tyto složky se potom modulují na subnosné vlny s různými frekvencemi. Je-li prodloužená perioda nt b mnohem delší než rozptyl zpoždění použitého rádiového kanálu, výrazně se omezí intersymbolové interference ISI, vznikající v kanálu mezi prodlouženými symboly. Díky ortogonalitě subnosných se značně zvětší i spektrální účinnost OFDM vůči FDM. Subnosné vlny s dlouhou symbolovou periodou jsou postihovány jen plochým únikem, což zjednodušuje jejich ekvalizaci. Slabinou multiplexu OFDM je velký poměr špičkového ku střednímu výkonu PAPR (peak to average power ratio) ve vysílaném signálu. K jeho zpracování je pak nutný výkonově předimenzovaný- a tedy energeticky neefektivní koncový zesilovač vysílače, FFT PSC data výstup R b ; T b = 1/R b Banku elementárních modulátorů s lokálními oscilátory ve vysílači OFDM lze nahradit jediným monolitickým procesorem pro inverzní rychlou Fourierovu transformaci IFFT a banku demodulátorů procesorem FFT. f

16 Ortogonalita subnosných vln v OFDM časová oblast frekvenční oblast kanály OFDM kanály FDM f perioda symbolu OFDM = T u frekvenční spektrum signálu OFDM frekvence podmínka ortogonality v časové oblasti: odstup mezi subnosnými vlnami má přesně hodnotu f = 1/T u ; potom v každé symbolové periodě T u je celistvý počet cyklů tj. "elementárních sinusovek" (i když mohou být po zavedení cyklického prefixu CP vzájemně fázově posunuté) podmínka ortogonality ve frekvenční oblasti: subnosné vlny jsou relativně velmi blízko u sebe, takže v případě, že jsou modulovány, jejich modulační spektra typu sin(x)/x se vzájemně překrývají; díky ortogonalitě však zde nedochází mezi nimi k interferencím. Avšak již při malém narušení podmínek ortogonality (vlivem frekvenčního ofsetu subnosných vln, úniků v rádiovém kanálu, Dopplerova jevu ap) vznikají interference ICI (Inter Carrier Interference)

17 Ochranný interval GI v systému OFDM OFDM bez ochranného intervalu GI LOS přijímané symboly OFDM - bez CP úplný integrační interval T u pro demodulaci složky LOS T U m-1 m m+1 NLOS a) d T U0 neúplný integrační interval TU0 pro demodulaci složky NLOS vznik interferencí ISI&ICI (MI= Multipath Interference) OFDM s ochranným intervalem GI LOS přijaté symboly OFDM - s CP GI úplný integrační interval T u pro demodulaci složky LOS T U m-1 m m+1 T U = 1/ f T CP > d NLOS b) T GI = T CP U systému OFDM následují symboly OFDM o aktivní délce T U těsně po sobě, takže při mnohocestném šíření zasahují v přijímači opožděné složky šíření určitého symbolu do symbolu následujícího (obr. a). Tím dochází k tzv. intersymbolovým interferencí ISI (Inter Symbol Interference). Situaci lze však zlepšit tím, že se před začátek každému symbolu OFDM přidá prázdný ochranný interval GI (Guard Interval), který eliminuje přesahy opožděných složek symbolu předchozího (obr. b). K interferencím ISI potom už nedochází. Intervaly GI však ještě neodstraňují interference mezi subnosnými vlnami ICI (Inter Carrier Interference); ty však lze potlačit vyplněním intervalu GI tzv. cyklickým prefixem CP. T U0 neúplný integrační interval T u pro demodulaci složky NLOS přesah opožděné složky spadá do ochranného intervalu GI ISI = 0

18 Cyklický prefix CP v systému OFDM LOS přijímané symboly OFDM - bez CP OFDM bez ochranného intervalu GI úplný integrační interval T u pro demodulaci složky LOS T U m-1 m m+1 vznik interferencí ISI&ICI (MI= Multipath Interference) NLOS d T U0 neúplný integrační interval TU0 pro demodulaci složky NLOS Tu t f 0 OFDM s cyklickým prefixem CP t f 1 LOS přijaté symboly OFDM - s CP m-1 CP úplný integrační interval T u pro demodulaci složky LOS T U cyklický prefix t t f 2 f 3 f N -1 NLOS T GI = T CP T U0 úplný integrační interval T u pro demodulaci složky NLOS přesah opožděné složky spadá do cyklického prefixu CPI ICI = 0 Prázdný ochranný interval GI odstraňuje u systému OFDM intersymbolové interference ISI, avšak opožděné složky určitého symbolu ochuzuje o část jejich užitečné aktivní symbolové periody T u. Integrační vyhodnocovací interval je potom pro tyto složky v demodulátoru přijímače neúplný, čímž dochází k narušení ortogonality mezi subnosnými vlnami a tím i k interferencím ICI, zvyšujícím chybovost. Situaci lze však zlepšit tím, že se ke každému symbolu OFDM předřadí kopie konce jeho průběhu, nazývaná cyklický prefix CP (Cyclic Prefix). Pak ortogonalita není narušena a k interferencím ICI při demodulaci nedochází.

19 Multiplex OFDM a multiplex SC-FDMA se sníženým poměrem PAPR pro jednu symbolovou periodu OFDMA zaujímají datové symboly pásmo 15 khz pro 1/N-tou část symbolové periody OFDMA zaujímají datové symboly pásmo N x 15 khz sekvence přenášených datových symbolů QPSK modulační datové symboly QPSK 66,7 ms OFDMA symbol SC-FDMA symbol čas OFDMA symbol frekvence čas SC-FDMA symbol frekvence data vstup Realizace multiplexu DFT-OFDM doplněním systému OFDM procesory DFT a IDFT SPC DFT IFFT blok OFDM PSC DAC RF DFT-OFDM RF ADC blok OFDM SPC FFT IDFT PSC data výstup V OFDM každá subnosná nese informaci odpovídající vždy jen jedinému vstupnímu modulačnímu symbolu; při náhodné shodě více symbolů se okamžitý výkon - a tím i poměr jeho špičové a střední hodnoty PAPR (Peak to Average Power Ratio) nadměrně zvýší. Ve formátu DFT-OFDM (Discrete Fourier Transform OFDM), resp. SC-FDMA (Single Carrier FDMA), se modulační signál, před modulací OFDM (IFFT) rozprostírá procesorem DFT. Každá subnosná vlna potom obsahuje informace odpovídající vždy více vstupním symbolům, což omezuje nadměrný poměr PAPR

20 Systémy SISO/SIMO/MISO a MIMO vysílací antény rádiový kanál C SISO = B log 2 (1 + S/N) SNR SIMO SNR SISO + 3 db SNR MISO SNR SISO + 3 db C MIMO Min (N Tx, M Rx ) C SISO přijímací antény dílčí antény vysílačů resp. přijímačů musí být od sebe dostatečně vzdáleny (minimálně l/2, lépe 5 až 10 l) Prostý rádiový přenos SISO: přenáší se jen jeden modulační datový tok, po jediné rádiové cestě, přičemž zde nepůsobí žádná ochrana vůči únikům. Přenosová kapacita C 0 je dána přímo Shannonovým vztahem C 0 = B log 2 (1 + S/N). Přijímací resp. vysílací prostorová diverzita SIMO / MISO: přenáší se jediný modulační datový tok po více rozdílných, pokud možno co nejméně vzájemně korelovaných cestách; tím se zvyšuje imunita proti únikům, šumu i interferencím (oproti SISO), a to přímo úměrně počtu přijímacích resp. vysílacích antén; přenosová kapacita se však téměř nemění. Přitom není nutné zvětšovat původní vysílací výkon ani šířku pásma (vůči SISO). Systémy se hodí pro malé poměry SNR Prostorový multiplex MIMO: přenáší se více datových toků po více rozdílných slabě korelovaných cestách, vytvářených více anténami ve vysílači i v přijímači; tím se vytváří prostorový multiplex, zvyšující přenosovou kapacitu celého systému to při původním nezvětšeném výkonu vysílače a při původní nezvětšené šířce rádiového (RF) pásma (vůči ekvivaletnímu systému SISO). U systémů MIMO je žádoucí velký poměr SNR.

21 Systémy s více anténami, využívanými k formování anténních svazků (směrových diagramů) Formování anténního svazku s malými vzájemnými vzdálenostmi antén, a tím i s jejich silnou vzájemnou korelací MIMO prekodér zlomky l s1 s2 s3 s4 j e 1 e j 2 3 e j IFFT MS1 MS2 systém MISO, selektivně směrující vyzařování BS základnové stanice na dvě mobilní stanice MS1 a MS2 e j 4 Moderní anténní systémy s tzv. formováním vyzařovacích svazků BF (Beam Forming) využívají ve vysílači Tx, nebo v přijímači Rx více antén, které prostřednictvím řízení fází vysílaných resp. přijímaných signálů slouží k formování kompozitního anténního svazku TxBF, nebo RxBF (Transmitter / Receiver - side Beam Forming). To zvětšuje poměr SNR užitečného přijímaného signálu, což potom zmenšuje chybovost přenosu, nebo také alternativně zvyšuje přenosovou rychlost resp. propustnost (při zachované chybovosti). Systémy BF lze rovněž využívat k potlačení dominantních zdrojů rušení IRC (Interference Rejection Combining).

22 Klasifikace systémů s více anténami Radiokomunikační systémy s více anténami Prostorová diversita SD SIMO, MISO Formování anténních svazků BF RxBF; TxBF Prostorový multiplex SM MIMO Přijímací diversita SIMO (RxSD) Vysílací diversita MISO (TxSD) Prostorový multiplex SM s otevř. smyčkou OLSM Prostorový multiplex SM s uzavř. smyčkou CLSM s přepínáním resp. selekcí s komb. MRC; EGC; RxBF s otevř. smyč. s uzavř. smyčkou CDD; STBC; SFBC STD; MRT;TxBF; SU-MIMO s jediným uživatelem MU-MIMO s více uživateli jedna /více buněk (INTF/COOP) SD: Spatial Diversity; SM: Spatial Multiplexing; SINR: Signal to Noise Ratio; RxSD: Receive Spatial Diversity; TxSD: Transmit Spatial Diversity; OLSM: Open Loop Spatial Multiplexing; CLSM: Closed Loop Spatial Multiplexing; MRC: Maximal Ratio Combining; EGC: Equal Gain Combining; RxBF: Receive Beamforming; CDD: Cyclic Delay Diversity; STBC: Space Time Block Codes; STFC: Space TimeFrequency Codes; STD: Selecting Transmit Diversity; MRT: Maximum Ratio Transmission; TxBF: Transmit Beamforming; SU: Single User; MU: Multiuser; INTF: Interference MU-MIMO; COOP: Cooperative MU-MIMO

23 3. Buňkové systémy GSM/E-EDGE, EDGE, UMTS/HSPA 3. B u ň k o v é s a metropolitní systém WiMAX Předpověď vývoje mobilních systémů pro příští léta Standard E-EDGE jako poslední verze GSM (2G) Standard UMTS a jeho pokročilá verze HSPA (3G) Metropolitní síť WiMAX (WiMAX2.0 / m)

24 Předpověď příštího vývoje pozemní mobilní komunikace relativní počet uživatelů předpověď vývoje z roku 2006 až do roku 2020 předpověď vývoje z roku 2011 na rok GPP release 10 and Beyond. 4G Americas member companies, Febr mob. WiMAX 58 million předpověď vývoje standardů GSM/EDGE a UMTS/ HSPA odpovídá současnosti, rozvoj sítí LTE/LTE-A však ještě nepovede k jejich dominanci po r GPP (UMTS-HSPA-LTE): 87%; EV-DO (3GPP2): 13%; Mobile WiMAX (IEEE m) 1%; 4.2 Billion Subscription 1 Petabyte = Gbytes počet uživatelů LTE-A naroste z cca 30 milionů na 300 milionů tj. 10 krát UMTS Forum Rep UMTS Forum Rep. 44, 2011 Nárust globálního mobilního provozu v letech 2007 až 2015; zvyšovat se bude zejména datový provoz, telefonní (hlasový) provoz poroste jen velmi mírně Nárust počtu uživatelů sítí LTE/LTE-A mezi léty 2012 až 2015; přes velice rychlý rozvoj budou sítě LTE/LTE-A zaujímat 10% celkového objemu

25 Hlavní charakteristiky standardu E-EDGE, v porovnání se standardy GSM, GPRS a EDGE Sdružování nosných vln na DL (Multi Carrier DL) a na UL (Multi Carrier UL) Sdružením více dílčích rádiových kanálů (nosných vln) se zvětší aktuální rádiová šířka pásma na násobky 200 khz a tím se i násobí účastnická provozní kapacita; technicky únosné je sdružení až 4 pásem po 200 khz. Přijímače a vysílače jsou však náročnější, neboť musí být vícekanálové, nebo širokopásmové. Adaptivní modulace vyšších řádů HOM a adaptivní kódování Kromě modulací GMSK (GSM) a 3 /8 PSK (EDGE) přibývají v E-EDGE vícestavové modulace 16-QAM a 32-QAM. Ty disponují vyšší spektrální účinností h, takže zvyšují propustnost systému(h GMSK = 1,3 bit/s/hz, h 64QAM = 6 bit/s/hz); mají však nižší energetickou účinnost, proto vyžadují vyšší poměry signálu k šumu SNR v přijímači a také zpřísňují nároky na linearitu koncových stupňů ve vysílačích. Nastupují zde také kanálové turbo kódy s výrazně vyšším kódovým ziskem v porovnání s konvolučními či blokovými kódy. Typ modulace i kanálového kódu si systém adaptivně volí dle okamžité kvality (poměru SNR) rádiového kanálu. Mobilní stanice E-EDGE s přijímací prostorovou diverzitou (duální anténou) Mobilní stanice s duální anténou poskytuje přijímači prostorovou přijímací diversitu MSRD (Mobile Station Receive Diversity), která zvětšuje průměrný poměr SNR přijímaného signálu až o 3 db a tím zvětšuje přenosovou rychlost resp. zlepšuje kvalitu přenosu na okrajích buněk a v zastíněných oblastech a také potlačuje ploché úniky. Mobilní stanice typů 1 a 2 Běžná mobilní stanice MS typ 1 neumožňuje současné vysílání a příjem; mobilní stanice typ 2, dostupná v E-EDGE, umožňuje současné vysílání a příjem a tím zhruba zdvojnásobuje přenosovou rychlost. Redukce latence RTT V E-EDGE se zkracením intervalu TTI na 100 ms redukuje latence přenosu v uzavřeném okruhu RTT na 10 ms; k redukci latence napomáhá také zkracování doby reakce přijímače MS při neúspěšném přenosu (NACK) a další zjednodušení architektury systému

26 Systém UMTS: časově-frekvenční struktura signálů 5 MHz (nonvariable) celková šířka pásma datová šířka pásma signalizace vysoká proměnná rychlost vysoká proměnná rychlost střední proměnná rychlost kmitočet f kanál 3 kanál 2 kanál čas t [ms] nízká konstantní rychlost nízká proměnná rychlost GSM 1800 DECT UMTS TDD UMTS FDD UL MSS UMTS TDD UMTS FDD DL MSS Přednosti CDMA: Přístup WCDMA dovoluje systému UMTS dynamicky měnit příděl šířky pásma účastníkům, v závislosti na jejich okamžité potřebě; příděl šířky pásma v dílčích kanálech je vzájemně zcela nezávislý a aktualizuje se každých 10 ms (= TTI). TTI = 10 ms Různé šířky pásma se zde získávají technikou tzv. ortogonálního proměnného činitele rozprostření OVSF (orthogonal variable spreading factor), tj. změnou poměru konstantní čipové rychlosti ku proměnné bitové rychlosti. Nedostatky WCDMA: Rozšiřování šířky RF pásma nad 5 MHz již neúnosně ztěžuje realizaci mobilních terminálů, neúnosně se komplikují především ekvalizační obvody přijímačů. WCDMA též neumožňuje velmi efektivní kanálově závislé rozvrhování. f [GHz]

27 Datová propustnost systémů pro mobilní komunikaci pokročilé druhé a třetí generace Standard sestupná trasa DL vzestup. trasa UL EDGE (typ 1 MS) 236,8 kbit/s 236,8 kbit/s EDGE (typ 1 MS) 473,6 kbit/s 473,6 kbit/s E EDGE (typ 2 MS-antén. duplex) 1894,4 kbit/s 947,2 kbit/s UMTS WCDMA Rel 99 2,048 Mbit/s 768,0 kbit/s šířky pásma a modulace B RF = 200 khz; 8PSK B RF = 2x200 = 400 khz; 8PSK B RF = 2x200 = 400 khz; 32QAM HSPA 14,4 Mbit/s 5,76 Mbit/s HSPA + (2x2 MIMO, DL-UL:16QAM) 28,8 Mbit/s 11,5 Mbit/s HSPA + (2x2 MIMO, DL-UL: 64QAM) 42 Mbit/s 11,5 Mbit/s LTE (2x2 MIMO) 173,0 Mbit/s 58,0 Mbit/s LTE (4x4 MIMO) 326 Mbit/s 86,0 Mbit/s LTE-A (8x4 MIMO) > 1 Gbit/s (8x4 MIMO) > 500 Mbit/s (4x4 MIMO) B RF = 5 MHz; QPSK; 16QAM; 64QAM B RF = 20 MHz QPSK; 16QAM; 64QAM B RF = 2x20 = 40MHz;..64QAM Mobilní stanice typu 1 je vybavena anténním přepínačem, který neumožňuje současné vysílání a příjem, takže nelze sdružovat všech osm časových slotů rámce TDMA (v praxi lze kombinovat nejvýše asi 5 slotů) Mobilní stanice typu 2 s anténním nízkoztrátovým duplexerem (SAW) dovoluje sdružování všech osmi časových slotů, což vede k maximální uživatelské přenosové rychlosti (E-EDGE)

28 Metropolitní standard WiMAX (IEEE ): porovnání rádiového rozhraní se systémem LTE Standardy LTE/SAE i WiMAX (poslední verze WiMAX2.0/IEEE m) využívají jako základní přenosový formát ortogonální frekvenční multiplex OFDM, shodné jsou také modulace subnosných vln QPSK, 16QAM, 64QAM; LTE na UL však užívá formát SC-FDMA, který má podstatně menší poměr PAPR. Oba systémy využívají duplex TDD, LTE však má ještě navíc možnost duplexu FDD. Oba systémy aplikují moderní ochranné kanálové kódy, zejména turbo kódy, konvoluční kódy CTC a BTC, kódy kontroly parity s nízkou hustotou LDPC aj. U obou systémů se používá rychlá Fourier. transformace o rozměru 512 (5 MHz). Téměř stejné jsou i volitelné šířky pásma (LTE: 1,4; 3; 5; 10; 15; 20 MHz; WiMAX: 1,25; 5; 10; 20 MHz), s možností jejich agregace (2 x 20 = 40 MHz ap). Blízké si jsou i další parametry jako je odstup subnosných vln (LTE: 15 khz; WiMAX: 10,94 khz), délka cyklického prefixu (LTE: 4,69 ms ; WiMAX: 11,4 ms) a délka kompletního symbolu OFDM (LTE: 71,36 ms; WiMAX: 102,9 ms). Oba systémy aplikují adaptivní modulace a kódování AMC, hybridní opakování H-ARQ apod. U obou systémů se široce využívají koncepce více antén, a to jak ve formě prostorové přijímací a vysílací diverzity, tak ve formě prostorového multiplexu. U obou systémů se uplatňuje i technika formování anténních svazků. Vzhledem ke značné podobnosti technické implementace potom ovšem oba systémy vykazují také podobné výsledné vlastnosti.

29 4. Systémy LTE a LTE-A A (SAE) Shrnutí základních vlastností standard LTE/SAE Plochá architektura standardů LTE/SAE a LTE-A Časově frekvenční struktura signálů v LTE/SAE Technologie více antén v systémech LTE/ LTE-A Evoluční vývojová verze standardu LTE: LTE-A Frekvenční pásma standardu LTE-A

30 Základní terminologie ve standardu LTE/SAE Systém LTE/SAE se skládá z nové rádiové přístupové sítě LTE (Long Term Evolution) a nového jádra sítě SAE (System Architecture Evolution). V dokumentech 3GPP je kompletní systém LTE/SAE alternativně označován rovněž jako pokročilý paketový systém EPS (Evolved Packet System). Zkratka LTE (Long Term Evolution) označuje rádiovou přístupovou síť, založenou na ortogonálním frekvenčním multiplexu OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), který je pro širokopásmové aplikace výhodnější, než přístup s kódovým dělením W-CDMA (Wideband-Code Division Multiple Access), aplikovaný v sítích UMTS, cdma aj. Zkratka E-UTRA (Evolved-UMTS Terrestrial Radio Access Network) je alternativní označení pro přístupovou síť LTE Jádro SAE (System Architecture Evolution) systému LTE/SAE vznikalo evolučním vývojem z předchozích koncepcí 3G, a proto se označuje buď zkratkou SAE), anebo také zkratkou EPC (Evolved Packet Core). LTE-A (LTE-Advanced) je poslední vývojovou variantou LTE, která dále zyšuje datovou rychlost, snižuje latenci a zlepšuje řadu základních parametrů LTE, podporuje nové služby atd.

31 Shrnutí základních charakteristik standardu LTE/SAE Parametr realizace resp. číselné hodnoty mnohonásobný přístup DL/UL modulace DL/UL flexibilní šířka pásma B RF (agregace pásem B RF ) duplex odstup subnosných f / délka symbolu OFDM cyklický prefix T CP datová rychlost s technikou MIMO na DL špičková datová rychlost, s MIMO na DL latence v kontrolní rovině (sestavení spojení) latence v uživatelské rovině (na okruhu RTT) maximální rozměry buněk mobilita mobilního terminálu technika MIMO na DL technika MIMO na UL OFDMA/SC-OFDM QPSK, 16QAM, 64QAM 1,25; 2,5; 5; 10; 15 a 20 MHz (2x20 = 40 MHz ) TDD nebo FDD (HFDD) 15 khz (7,5 khz) / 1: f = 66,66 ms (133,3 ms) normál: 5,21 ms; rozšířený: 16,67 ms (SFN) DL: 172,8 Mbit/s (při 2x2 MIMO); UL: 57,6 Mbit/s (při 64QAM); B RF = 20 MHz na DL i na UL DL: 326,4 Mbit/s (při 4x4MIMO); UL: 86,4 Mbit/s (při 64QAM); B RF = 20 MHz na DL i na UL < 100 ms (Transition Time) < 10 ms (RTT = Round Trip Time: MS BS MS) běžně do 5 km, vyjímečně až 100 km (s mírnou degradací funkce nad 30 km) optimální funkce do rychlosti 15 km/h; maximální funkční rychlost až 500 km/h preferuje více Tx i Rx antén na základnové stanici enb preferuje jedinou Tx a více Rx antén na mob. stanici UE

32 Hierarchická vertikální architektura systémů GSM / UMTS a úsporná plochá architektura systému LTE (3GPP) GSM(2G) / UMTS(3G) LTE / SAE ~ EPS CN jádro sítě HA/GGSN PDSN/SGSN BSS/UTRAN přístup. síť BSC/RNC BTS/NodeB EPC ~ SAE jádro sítě S-GW / P-GW MME E-UTRAN LTE, LTE-A přístup. síť enodeb BTS: Base Transceiver Station; BSC: Base Station Controller; RNC: Radio Network Controller; BSS: Base Station Subsystem; UTRAN: Universal Terrestrial Radio Access Network; PDSN: Packet Data Support Node; SGSN: Serving Gateway Support Node; HA: Home Agent; GPRS: General Pacet Radio Access; GGSN: Gateway GPRS Support Node; EDGE: Enhanced Data for GSM Evolution; CN: Core Network; UMTS: Universal Mobile Telecommunication System; E-UTRAN: Evolved-UMTS Terrestrial Radio Access Network; LTE: Long Term Evolution; enodeb (enb): Evolved NodeB; MME: Mobility Management Entity; S- GW: Serving Gateway; P-GW: Packet Data Network (PDN) Gateway; EPC: Evolved Packet Core; SAE: System Architecture Evolution; EPS: Evolved Packet System MS: Mobile Station; UE: User Equipment; a) MS/UE b) UE Standard LTE/SAE = EPS má plochou architekturu s dvěma uzly, jež je jednodušší, než vertikální architektura sítí GSM a UMTS se čtyřmi uzly; aplikuje paketový přenos (PDN), na bázi protokolu IP (MIP) Výhodou ploché architektury je vysoká datová rychlost, vyšší spolehlivost, snížení latence přenosu i doby sestavení spojení a nižší náklady CAPEX a OPEX. Architektura jádra sítě SAE umožňuje interoperabilitu s mobilními i fixními sítěmi využívajícími služby na bázi IP, jako je např. UMTS/HSPA (3GPP), CDMA2000 (3GPP2), WiMAX (IEEE) ap; podporuje kooperaci i se staršími sítěmi nonip, jako je GSM/EDGE i s dalšími přístupovými technologiemi.

33 Propojení architektur systémů LTE/SAE a GSM/UMTS

34 Generická rámcová časová struktura LTE 1 rádiový rámec LTE ~ T f = 10 ms ( T s ) 1 subrámec = TTI = 1 ms 1 slot = 0,5 ms symbolů OFDM (krátký prefix CP) TTI = Transmission Time Interval cyklické prefixy CP V signálu OFDM v LTE je specifikováno 2048 subnosných vln, se vzájemným odstupem 15 khz. Ačkoliv mobilní stanice MS musí být schopné příjmu všech těchto subnosných, vysílač základnové stanice nemusí ani zdaleka vždy všechny vysílat; povinné minimum je jen 72 subnosných. Celkový počet dosažitelných subnosných závisí na aktuální šířce přiděleného přenosového pásma. Standard LTE definuje šířky pásma v širokém rozsahu 1,4 až 20 MHz. Subnosné jsou modulovány jedním z formátů QPSK, 16QAM a 64QAM. Konkrétní variantu modulace, stejně jako typ (rychlost) kódu FEC, parametry hybridního opakování přenosu HARQ ap, si systém může v některých režimech adaptivně volit podle okamžité kvality rádiového kanálu. Na horním obrázku je znázorněna generická časová rámcová struktura LTE, používaná na trase DL v režimu duplexu FDD; alternativní struktura je definována i pro režim TDD. Rámec LTE o době trvání T f = 10 ms je dělen do 10 subrámců o délkách 1 ms, odpovídajících přenosovém časovému intervalu TTI (Transmission Time Interval). Každý subrámec se dále člení do dvou časových slotů o délkách 0,5 ms, takže v celém rámci LTE je 20 slotů. Jeden slot obsahuje při použití dlouhého (rozšířeného) cyklického prefixu CP celkem 6 OFDM symbolů, při krátkém (normálním) prefixu CP je to 7 OFDM symbolů.

35 Zdrojová mřížka LTE (SISO) fyzický zdrojový blok PRB: 12 subnosných (180 khz) x 1čas. slot (0,5 ms) 1 čas. slot: 7 symbolů OFDM (při krátkém CP) 1 čas. slot: 6 symbolů OFDM (při dlouhém CP) zdrojový element (časově-frekvenční symbol): 1 subnosná x 1 symbol OFDM QPSK-2 bity; 16QAM-4 bity; 64QAM-6 bitů čas subnosných 12x15=180 khz celkem N PRB zdrojových bloků PRB (tj. celkem 12 N PRB subnosných vln) frekvence subnosných... 7 symbolů OFDM (krátký CP) slot č. 0 slot č jeden rádiový rámec 10 ms = 20 časových slotů po 0,5 ms Časově frekvenční strukturu signálů LTE popisuje zdrojová mřížka (Resource Grid), zobrazená výše; ta platí pro systém SISO s jedinou vysílací anténou, při aplikacích MIMO odpovídá každé vysílací anténě její individuální zdrojová mřížka. V LTE je základní nejmenší datovou jednotkou fyzický zdrojový blok PRB (Physical Resource Block). Ten se skládá z 12 sousedních subnosných s odstupy po 15 khz, takže zaujímá pásmo 12 x 15 = 180 khz a má dobu trvání jednoho slotu tj. 0,5 ms. Základní přenosovou jednotkou, přidělovanou uživatelům, je však pár (dvojice) po sobě následujících sousedních přenosových bloků, zaujímajících čas jednoho subrámce tj. intervalu TTI = 1 ms. Jedinému uživateli vysílajícímu na trase DL, může být v tomto intervalu obecně přiděleno více těchto párů, příděl se aktualizuje vždy s každým novým intervalem TTI. Krátký interval TTI = 1 ms je základním předpokladem pro malou latenci přenosu a značnou přizpůsobivost na velmi rychlé změny kvality rádiového kanálu.

36 Frekvenčně selektivní úniky a kódování v sítích LTE vysílané subnosné vlny průběh úniku nekvalitní přijímané subnosné vlny kanálové kódování frekvence rádiový kanál s únikem a) b) frekvenční prokládání modulace OFDM c) d) kanálové kódování b c1 c2 c3 c4... informační bit frekvence zakódované bity frekv. prokládání (mapování na subnosné vlny frekvence Frekvenčně selektivní únik v systému OFDM: a) původní subnosné vlny a průběh úniku; b) subnosné ovlivněné únikem; c) kanálové kódování ve spojení s prokládáním ve frekvenční oblasti; d) rozptýlení zakódovaných bitů ve frekvenční oblasti (frekvenční interleaving) Systém OFDM v základní podobě je značně ovlivňován frekvenčně selektivními úniky, které mohou vést až k úplnému potlačení celých shluků subnosných vln (obr. a,b). Vhodným kanálovým kódováním, ve spojení s frekvenčním prokládáním (obr. c), se vytváří kódovaný multiplex C-OFDM, u něhož dochází k rozprostření ochranných bitů v širším frekvenčním pásmu (obr. d). To mu přináší cennou frekvenční diverzitu, potlačující účinky úniku.

37 Kanálově závislé rozvrhování v sítích LTE kanálově závislé rozvrhování (channel dependent scheduling) na trase DL enb UE UE a) b) V systému OFDM/LTE na sestupné trase DL přiděluje periodicky základnová stanice enb právě aktivním uživatelům určitá pásma (soubory subnosných vln), potřebná pro jejich přenos; volné nosné jsou z důvodů úspory energie a snížení interferencí potlačeny. Toto přidělování (rozvrhování) se realizuje tak, že mobilní stanice UE nepřetržitě monitorují referenční signály vysílané základnovou stanicí, vyhodnocují jejich kvalitu a příslušnou informaci o stavu kanálu CSI (Channel State Information) předávají zpět na enb. Základnová stanice má tedy stále k dispozici časově frekvenční mapu kvality signálu resp. úniků na všechaktvních kanálech, tak jak pro dva uživatele ukazuje obr. a Jeden nebo více zdrojových bloků PRB potom přidělí základnová stanice vždy jen tomu uživateli, který má lepší současný poměr signál/šum (obr. b). Souběžně s touto technikou rozvrhování se adaptivně mění i stupeň ochrany FEC, parametry HARQ ap. Přestože je v uvažovaném systému aktivní vždy jen jediný uživatel (uživatelská diverzita), celková efektivita systému se oproti režimu více paralelních uživatelů zvýší.

38 Technologie více antén v systémech LTE/ LTE-A V systémech mobilní komunikace LTE (LTE-A) se budou nejčastěji využívat technologie více antén SIMO, MISO, MIMO a BF v následujících variantách : Sestupná trasa DL: Přijímací diverzita SIMO, obvykle se dvěma Rx anténami a s kombinováním na maximální poměr MRC (Max. Ratio Combining), zvyšující robustnost přenosu. Vysílací diverzita s otevřenou smyčkou (OL MISO), s prostorově-časovým blokovým kódem SFBC (Space Frequency Block Code), specifikovaná pro dvě nebo čtyři Tx antény na enb; tato koncepce též zvyšuje robustnost přenosu. Prostorový multiplex, obvykle v konfiguraci 2X2 SU MIMO, nebo 4x2 MIMO; výhodná je verze s uzavřenou smyčkou a předkódováním, s využitím informace o kvalitě kanálu CQI (Channel Quality Information). Kromě multiplexu MIMO se užívá i cyklická diverzita se zpožděním CDD (Cyclic Delay Diversity). Vzestupná trasa UL: Přijímací diverzita se dvěma nebo čtyřmi přijímacími anténami na enb, zvyšující robustnost přenosu. Mnohouživatelský virtuální multiplex MU MIMO, nazývaná též virtuální MIMO (V- MIMO), využívá více jednoduchých UE s jedinými anténami, vysílajících v režimu prostorového multiplexu ve společném pásmu a čase svá data k enb. Vysílací diverzita zvyšující robustnost, resp. SU MIMO prostorový multiplex zvyšující datovou rychlost, se dvěma Tx anténami na UE.

39 Přijímací diverzita SIMO s kombinováním MRC (Maximum Ratio Combining) s 0 h 1 = 1 e j 1 n 1 odhad ~ vysílač kanálu * h 2 = 2 e j h 1 h* s 0 1 detektor ML n 2 r 1 = h 1 s 1 + n 1 r 2 = h 2 s 2 + n 2 odhad kanálu h 2 * h* 2 s 0 Odhad kanálu: V přijímači MRC je nezbytné plynule realizovat odhad rádiového kanálu. To umožňuje technika periodického vkládání pomocných referenčních symbolů mezi vysílaná data. Přijímač strukturu těchto symbolů zná a jejich porovnáváním s odpovídajícími přijímanými symboly, vytváří odhad kanálu. Přijímací diverzita s kombinováním na maximální poměr MRC (Maximum Ratio Combining), znázorněná pro dvě diverzitních větve na obrázku, vede k maximálnímu poměru signálu ku šumu SNR na výstupu přijímače. Je vhodná především pro úzkopásmové rádiové kanály, v nichž jsou přenášené signály pouze doprovázeny bílým šumem AWGN a postihovány frekvenčně plochými úniky. Signály přijímané z obou větví se individuálně váží a poté se sčítají. Komplexní váhové koeficienty w i jsou voleny takto: - jejich amplitudy jsou přímo úměrné amplitudám h i zisků (odezev) jim odpovídajících diverzitních větví, tedy silnějším přijímaným signálům jsou přiřazeny větší váhy; - jejich fáze jsou stejně velké, avšak mají opačné znaménko, než fáze zisků příslušných větví. Všechny váhované užitečné složky potom mají shodné fáze a dochází tedy k jejich koherentnímu kombinování, kdežto šumy dílčích antén se sčítají nekoherentně tj. s náhodnou fází. Proto při kombinování dochází ke zlepšení celkového výstupního poměru SNR. Ve vektorovém zápisu je vážení MRC vyjádřeno vztahem w i = h i *, tedy váhové koeficienty w se přímo rovnají komplexně sdruženým hodnotám h i * zisků odpovídajících větví. U systému s N přijímacími anténam, s nulovou vzájemnou korelací, je potom výsledný poměr SNR určen vztahem N k 1 SNR k, tedy je prostým součtem poměrů SNR dílčích antén. Při stejných poměrech SNR 1 = SNR 2 = = SNR je diverzitní zisk přímo úměrný počtu přijímacích antén N R, tedy pro N R = 2 je diverzitní zisk 3 db, pro N R = 3 je zisk 4,77 db atd

40 Prostorový multiplex 2x2 SU MIMO, jako výchozí mód MIMO ve standardu LTE data vstup FEC/interleaving/H-ARQ vysílač 2x2 MIMO prostorový multiplex SM předkódování IFFT (OFDM) IFFT (OFDM) odraz, ohyb a rozptyl rádiových vln FFT (OFDM) FFT (OFDM) přijímač 2x2 MIMO přijímač MIMO měkké rozhodování dekód. FEC deimterleav. data výstup indikátor kvality kanálu CQI (Channel Quality Information) adaptace modulací, kódu FEC; H-ARQ... Technika 2x2 MIMO, aplikovaná v LTE jako výchozí systém prostorového multiplexu SDMA: na každou z přijímacích antén mohou přicházet signály od obou vysílacích antén, a to jak po přímých trasách šíření LOS (Line of Sight) zakreslených v obrázku, tak po nepřímých trasách NLOS (vlivem ohybu, odrazu a rozptylu rádiových vln). Díky kódování ve vysílači může přijímač MIMO ze směsi signálů přijímaných každou přijímací anténou oba různé vysílané signály opět rozlišit a dále již odděleně zpracovat. V systému lze zavést předkódování (precoding), které na základě zpětnovazební informace CQI optimalizuje vysílané signály tak, aby byly co nejlépe přizpůsobeny svou modulací, kódem FEC, parametry opakování přenosu H-ARQ ap, momentálním parametrům aktuálního rádiového kanálu; předkódování je však možné aplikovat jen při nízkých rychlostech MS. Zobrazený systém 2x2 MIMO může zvýšit přenosovou kapacitu vůči referenčnímu systému SISO až dvakrát, a to při nezvětšené šířce pásma a nezvětšeném celkovém vysílacím výkonu. U plánovaného systému 8x8 MIMO (LTE-A) bude možné zvýšit přenosovou kapacitu až osmkrát; skutečné zvýšení kapacity v praxi však je nižší.

41 Mnohouživatelský multiplex MU-MIMO (V-MIMO ) s virtuální mobilní stanicí BS virtuální mobilní stanice MS 1 MS 2 MS 3 Virtuální distribuovaný systém MIMO, složený ze tří mobilních stanic, které mají po jediné anténě a dohromady tvoří jedinou kompozitní virtuální mobilní stanici MS se třemi anténami Mnohouživatelské systémy MIMO s více anténami zvyšují díky multiplexnímu zisku výrazně propustnost systému. Avšak jejich realizace je komplikovaná a nákladná, neboť každá dílčí anténa vyžaduje svůj individuální RF řetězec, což mj. zvyšuje značně spotřebu systému a u stanic UE/eNB působí i potíže s prostorovým rozložením antén. Řešení těchto problémů na trase UL výrazně ulehčuje virtuální MIMO (V-MIMO), což je technika prostorového multiplexu SDM, kde svazek více uživatelských stanic UE - z nichž každá má jedinou nebo i více antén - umožňuje vytvořit virtuální kompozitní uživatelskou stanici MIMO, přenášející jejich data k základnové stanici BS, vybavené více anténami. Stanice UE jsou prakticky vždy od sebe dostatečně vzdálené a využívají tytéž rádiové zdroje (čas, frekvenci aj). Takto koncipovaný systém si zachovává všechny atributy konvenčních systémů MIMO s prostorovým multiplexem, tedy zvýšenou systémovou kapacitu a spektrální účinnost, a to v nezvětšeném RF pásmu.

42 Porovnání systémů SISO a SIMO z hlediska průměrného poměru SNR a výpadků spojení systém SISO SISO systém 1x4 SIMO 0 0 požadovaný signál požadovaný signál SIR SIR ~14 db db [db] [db] -20 SIR SIR 8 db8 db [db] -20 interference -40 interference čas [s] čas [s] zlepšení SIR u SIMO = 14-8 = 6 db Porovnání systémů SISO a systémů SIMO, pracujících v diversitním režimu, z hlediska zlepšení jejich průměrného poměru signálu k interferencím SIR: v přijímači SIMO dochází při kombinování signálů dílčích přijímacích antén v případě užitečného signálu k výraznému zvětšení jeho průměrné úrovně-dík určité vzájemné korelaci kombinovaných složek; naproti tomu kombinované interferující složky jsou vzájemně většinou podstatně slaběji korelované. Výsledný průměrný poměr SIR je potom u systému MIMO znatelně lepší, než u SISO.

43 Evoluční vývojová varianta standardu LTE: LTE - A LTE-Advanced, (standard 3GPP LTE Rel-10 a výše) je evoluční vývojová verze standardu LTE Rel-8), přinášející řadu následujících zdokonalení, při zachování kompatibility s LTE R-8. Sdružování nosných vln (carrier aggregation) resp. dosavadních dílčích šířek do jediného širšího pásma, a to až do maxima 5 20 MHz=100 MHz, je významným přínosem sítí LTE-A. Techniky MIMO vyšších řádů (High Order MIMO), a to na trase DL až do konfigurace 8 8 MIMO a na trase UL až 4 4 MIMO poskytují např. při kompozitní šířce pásma 2x20=40 MHz a technice 8 4 MIMO na trase DL maximální rychlost až 1 Gbit/s (!). Podpora heterogenních sítí HetNet (Heterogeneous Networks Support): heterogenní sítě vznikají rozšiřováním stávající fixní infrastruktury o nové reléové uzly RN (Relay Node), zařazené mezi mobilními stanicemi a základnovými stanicemi a působící jako opakovače (repeaters). Témuž účelu slouží i nízkovýkonové mikro a piko uzly, femto uzly, domovské uzly HeNB a vzdálené rádiové hlavice RRH (Remote Radio Head). Heterodynní sítě zkracují průměrné vzdáleností přijímač-vysílač a tím zvyšují poměry SNR/SIR. To se projeví ve zvyšování dosažitelných datových rychlost v celých buňkách i ve zdokonalování pokrytí v hraničních oblastech buněk ap. Koordinovaný mnohabodový přenos CoMP (Coordinated Multi-point Transmission) umožňuje určitému terminálu UE, zejména na hranicích buněk, přijímat signály více blízkých základnových stanic enb, jejichž činnost je koordinována. IMS (IP Multimedia Subsystem) je servisní platforma, umožňující operátorům zavádění multimediálních aplikací na bázi protokolu Internet (IP). K nim náleží přenos hovoru VoIP, sdílené video, streamingové video, interaktivní hry, mód navázání spojení PoC (Push over Cellular) aj. Služba mobilního rozhlasového a multikastového vysílání (Mobile Broadcast and Multicast Service umožňuje všem, nebo vybraným předplatitelům přijímat na své terminály stejné informace rozhlasového typu (všeobecné informace, zábavní pořady apod). Díky formátu OFDM lze tuto službu s výhodou realizovat technikou monofrekvenčních sítí SFN.

44 Sdružování nosných vln CA (Carriers Aggregation) v systému LTE se sdružením pěti pásem po 20 MHz získá pásmo 100 MHz spojitý kompozitní kanál RLC rozvrhovač LTE subnosné CC1 LTE subnosné CC2 LTE subnosné CC3 MAC HARQ HARQ HARQ HARQ HARQ a) frekvence nespojitý kompozitní kanál PHY modulace kódování modulace kódování modulace kódování modulace kódování modulace kódování LTE subnosné CC1 LTE... subnosné CC 2... LTE subnosné CC3 LTE : 20 MHz LTE- A : 5 x 20 = 100 MHz frekvence ) frekvence b c) a) Spojité sdružování CA U této varianty se všechny příslušné subnosné vlny CC nacházejí těsně vedle sebe (Contiguous Spectrum), uvnitř jediného přiděleného pásma. Jejich sdružování (Intra Band Contiguous Spectrum Aggregation) je díky tomu technicky relativně jednoduché. Při stávajícím přeplnění frekvenčního spektra je však obtížné takovéto segmenty spektra pro technologii CA zajistit. b) Nespojité sdružování CA Metody nespojitého sdružování, u nichž se sdružovaná pásma subnosných vln CC nenacházejí vedle sebe (Non-Contiguous Spectrum), jsou implementačně složitější. V praxi se však uplatní častěji, neboť umožňují pružné využití více volných užších segmentů spektra, které spolu nesousedí. Pokud však jsou dílčí sdružovaná pásma rozptýlena v širší frekvenční oblasti, je nutné vzít v úvahu výraznou frekvenční závislost útlumu rádiového kanálu i jeho dopplerovského posuvu. Jednoduchý management rádiových zdrojů se zde proto musí nahradit multidimenzionálním managementem. Dílčí oddělená sdružovaná pásma se mohou nacházet uvnitř jediného spojitého přiděleného pásma (Intra Band Non-Contiguous), nebo mohou být rozložena do více vzájemně oddělených pásem (Inter Band Non-Contiguous).

45 Koordinovaný mnohabodový přenos COMP (Coordinated Multi Point) BS3 centrální řízení vysílání tří základnových stanic BS1, BS2 a BS3 na trase DL, směrovaného ke dvěma různým mobilním stanicím MS1, MS2 BS2 MS1 BS1 MS2 V koordinovaném mnohabodovém přenosu COMP stanice MS1 komunikuje na trase DL jak se svou servisní stanicí BS1, tak také se stanicemi BS2 a BS3. Všechny tři základnové stanice musí být ovšem vzájemně propojeny širokopásmovými rádiovými spoji, nebo spoji metalickými resp. optickými, tak, aby jejich vysílání mohlo být koordinováno. Technika COMP může přinést uživatelům MS výrazné zvýšení průměrného poměru signálu k šumu SNR a tím i celkové zlepšení kvality přenosu, především zvětšení přenosové rychlosti a zmenšení chybovosti. Techniku přenosu COMP lze využít rovněž na trase DL, kdy mobilní stanice MS vysílá ke všem zúčastněným základnovým stanicím BS stejný signál. Dílčí přijímané signály se potom mohou slučovat např. technikou MRC, vedoucím k maximalizaci poměru SNR apod.

46 Různé aplikace radioreléových stanic v systému LTE-A makrobuňka LTE, WiMAX uživatelské stanice MS, UE.. pokrytí ve stínu budov mobilní stanice AMS pokrytí na okraji buněk základnová stanice ABS ABS: Advanced Base Station ARS: Advanced Relay Station AMS: Advanced Mobile Station pokrytí ve stínu terénu rozšíření pokrytí za hranicí buňky reléová stanice ARS pokrytí ve femtobuňce pokrytí v izolovaných lokalitách pomoci více reléových skoků V oblasti pokrývaném základnovou stanicí ABS se často vyskytují nepokryté lokality (vnitřky budov a jejich stíny, okraje buněk, dopravní tunely atd). Malý poměr SINR zde lze kompenzovat vybudováním přídavné základnové stanice ABS, která je však obvykle pro pokrytí relativně malého území příliš drahá. Cenově přijatelnějším řešením je aplikace transparentního zesilujícího RF opakovače (L1/OSI layer repeater). Nejvhodnějším řešením pak zde bývá použití reléové stanice ARS, schopné nejen zesilovat, ale i transkódovat a regenerovat přenášený uživatelský signál (L2/L3/OSI layers repeater). Další výhodou této stanice je i skutečnost, že jí postačuje propojení s nejbližší stanicí ABS a nevyžaduje tedy žádné fixní (backhaul) spoje s jádrem dané sítě, které jsou rovněž finančně náročné.

47 Adaptivní anténní vysílací systém AAS pro potlačení interferencí IRC cílová MS 1 cílová MS2 cílová MS3 interferující MS Adaptivní vysílací anténní systém (AAS) může pomoci několika dílčích antén, vhodným nastavením amplitud a fází jejich napájecích signálů, tvarovat výsledný směrový diagram tak, aby vyzařování bylo soustředěno k cílovým mobilním stanicím MS; naopak, příjem od interferujících mobilních stanic může být vhodným kombinováním jejich přijímaných signálů potlačen. Tato opatření zlepšují poměr SINR

48 Různé metody zlepšení pokrytí v sítích LTE Okraje buněk a zastíněné oblasti (různé terénní překážky, vysoká výstavba, tunely...) pracují se signály s malým poměrem SNR, což má za následek sníženou přenosovou rychlost, zvětšenou chybovost apod. Tomu lze odpomoci při stávajícím počtu základnových stanic např. aplikací systémů s více anténami SIMO, MISO s prostorovou diverzitou resp. s formováním svazků atd. Další zlepšení může přinést doplnění dosavadní sítě základnových stanic (enb) novými rádioreléovými uly RN, domovskými uzly HeNB a dalšími lokálními bloky. velice snížená propustnost na okrajích buněk základnové stanice BS resp uzly enb zvýšená propustnost na okrajích buněk, vznikající díky zvýšení poměru SNR rozmístění nově přidaných radioreléových RN uzlů a dalších lokálních bloků dosažitelná rychlost 14,2 Mbit/s 1,8 Mbit/s dosažitelná rychlost dosažitelná rychlost běžný systém LTE s makrobuňkami, na jejichž okrajích se v důsledku nízkého poměru SNR zhoršuje funkce značně vylepšený systém LTE s anténní diverzitou a se směrováním svazků, buňkovou koncepcí SFR ap dále zlepšený systém LTE s radioreléovými uzly RN, s pikobuňkami, uzly RRH ap.

49 Frekvenční pásma standardu LTE-A V tabulce jsou uvedena základní doporučená pracovní pásma standardu LTE-A, a to jednak pásma E-UTRA, jednak pásma IMT-A (podle specifikací ITU-R). Vzhledem k předpokládanému budoucímu velkému zájmu byly pro standard LTE-A později vyčleněny ještě následující rozsahy (které se ale s pásmy z tabulkky částečně překrývají): MHz MHz MHz 2,3 2,4 GHz 3,4 4,2 GHz 4,4 4,99 GHz Pásma s nižšími frekvencemi jsou výhodná, neboť v nich rádiové signály mají menší útlum šíření (který je totiž zhruba přímo úměrný kvadrátu frekvence) a navíc snáze pronikají do zastíněných oblastí. Bohužel se v nich obtížně hledají širší frekvenční rozsahy, zatím neobsazené jinými službami. Některá z uvedených nižších pásem a rozsahů navíc zasahují do dosavadních evropských televizních pásem CCIR, na základě rozhodnutí národních standardizačních orgánů však mohou být postupně uvolňována pro standard LTE-A ( digitální dividenda ).

50 Globální produkce emisí CO 2 v letech 2007 až 2020, v systémech pozemní mobilní komunikace V období let 2007 až 2020 se zvětší datový provoz mobilních sítí o cca 3 řády tj krát, a to z 0,8 MilT bytů v roce 2007 na cca 500 MilTbytů v roce Přitom počet laptopů resp. netbooků naroste z 23 Mil na cca 500 Mil., avšak počet zákl. stanic se jen ztrojnásobí; kapacita těchto zařízení enormně vzroste Spotřeba elektrické energie se však díky razantnímu prosazování zelených technologií nikterak radikálně nezvětší. Největší úspory se objeví u sítí RAN. Copyright: G. Fettweiss et all, TU Dresden