Komunikační systémy pro perspektivní kmitočtová pásma LTE Advanced Jan Prokopec Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně
Obsah prezentace Long Term Evolution - LTE 1 Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Fyzická vrstva dle Release 8 Frekvenční pásma Rádiové rozhraní Základní parametry fyzické vrstvy Používané modulace Diverzita a prostorový multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access pro downlink Single Carrier Frequency Division Multiple Access Zpracování dat ve fyzické vrstvě Hybridní ARQ Cyclic Redundancy Check Kanálové kódování a rate matching Mapování fyzických kanálu do resource grid Scheduling LTE Time Divission Duplex Vrstvový model LTE Srovnání LTE s ostatními standardy Self Organizing Networks 2 LTE Advanced J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 1 / 104
Obsah prezentace Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE 1 Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Fyzická vrstva dle Release 8 Frekvenční pásma Rádiové rozhraní Základní parametry fyzické vrstvy Používané modulace Diverzita a prostorový multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access pro downlink Single Carrier Frequency Division Multiple Access Zpracování dat ve fyzické vrstvě Hybridní ARQ Cyclic Redundancy Check Kanálové kódování a rate matching Mapování fyzických kanálu do resource grid Scheduling LTE Time Divission Duplex Vrstvový model LTE Srovnání LTE s ostatními standardy Self Organizing Networks 2 LTE Advanced J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 2 / 104
Motivace Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE CS/PS zpětná podpora u WCDMA Interference mezi uživateli Výhody OFDM pro mobilní příjem Propustnost sítě na rozhraní buněk Cell Breathing TDD/FDD funkcionality spektrální flexibilita výhled až do roku 2020 to dobré z UMTS použít... J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 3 / 104
Latence WCDMA Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE složitá struktura UTRAN/GERAN velké množství logických, transportních a fyzických kanálů dlouhý Transmission Time Interval (TTI), vylepšení u HSPA Modulace pouze QPSK, postupně implementovány další typy MQAM modulací problémy a přidělováním vyhrazených kanálů omezené množství kódů z Walshova stromu J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 4 / 104
Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Layer 3 2G / 3G Mobile Layer 2 Layer 1 Synchronisation Basestation Broadcast Mobility Bearer setup Access Request Negotiation Ready Grant Link Request Negotiation Ready Grant Negotiation Negotiation Grant Ready Slide 11 J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 5 / 104
Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Layer 3 LTE Mobile Layer 2 Layer 1 Synchronisation Basestation Broadcast Bearer setup Mobility Piggybacked setup request Bearer setup Mobility Link Request Access Request Negotiation Ready Grant Ready Ready Ready Negotiation Slide 12 (Less time wasted getting you onto the internet ) J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 6 / 104
Evoluce mobilních sítí Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Změna modulace (GPRS EDGE) Dual Carrier (EDGE EDGE II ) Vylepšení MAC vrstvy (HARQ) Zkrácení TTI Využití MIMO anténních systémů EDGE II, HSPA, HSPA+ J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 7 / 104
Požadavky pro LTE Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Jako reference HSPA Rel. 6 Peak data rates Downlink 100 Mbps vs. 14 Mbps Uplink 50 Mbps vs. 5.76 Mbps Nízká latence RTT 10 ms Call setup 50 ms Intersystem HO 500 ms Variable system bandwidth 1,4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz Kapacita systému 2-4 krát lepší Beamforming, MIMO, mobilita J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 8 / 104
Směle vzhůru... Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE DL LTE(20MHz) 300M Downlink Speeds 100 Mbps MIMO/64QAM 42M MIMO 2x2 28M HSDPA 14.4M 10 Mbps HSUPA/16QAM 11M HSDPA 7.2M HSDPA 3.6M HSUPA 5.6M DL LTE(20MHz) 140M Mbps UL LTE (10MHz) 50M UL LTE (10MHz) 25M Mbps Uplink Speeds HSDPA 1.8M HSUPA 1.5M HSPA DL and UL peak throughputs expected 1 Mbps to double every year on average Limitations not induced by the technology itself but time frames required to upgrade DL R 99-384k infrastructure and transport networks, obtain UL R 99 384k devices with corresponding capabilities and interoperability tests 100 kbps kbps 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Mooreův zákon pro bezdrátové sítě J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 9 / 104
Long Term Evolution - LTE... k teoretickým předpokladům... Základní vlastnosti LTE-SAE Achievable Efficiency (bps/hz) 6 5 4 3 2 1 Shannon bound Shannon bound with 3dB margin HSDPA EV-DO IEEE 802.16e-2005 0-15 -10-5 0 5 10 15 20 Required SNR (db) J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 10 / 104
... už na dohled Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 11 / 104
Struktura LTE-SAE Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Podpora IP protokolu Gateway do IP sítí HSS Home Subscriber Server/HLR SGSN pro GPRS a WCDMA Připojení ostatních bezdrátových technologií EPC Evolved Packet Core EPS Evolved Packet System IMS IP Multimedia Subsystem J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 12 / 104
Architektura LTE Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE eutran evolved UTRAN enodeb UE enodeb přebírá funkcionality RNC Zakončení všech protokolů RAN Zjednodušená topologie zrychluje odezvu Pouze PS VoIP PCRF Policy and Charging Resource Function SAE System Architecture GW SGW Serving GW PGW Packet GW MME Mobility Management Entity J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 13 / 104
Obsah prezentace Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 1 Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Fyzická vrstva dle Release 8 Frekvenční pásma Rádiové rozhraní Základní parametry fyzické vrstvy Používané modulace Diverzita a prostorový multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access pro downlink Single Carrier Frequency Division Multiple Access Zpracování dat ve fyzické vrstvě Hybridní ARQ Cyclic Redundancy Check Kanálové kódování a rate matching Mapování fyzických kanálu do resource grid Scheduling LTE Time Divission Duplex Vrstvový model LTE Srovnání LTE s ostatními standardy Self Organizing Networks 2 LTE Advanced J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 14 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 Frekvenční pásma pro párované spektrum FDD Kapacita sítě vs. pokrytí oblasti Označení Frekvenční pásmo Celková šířka Uplink [MHz] Downlink[MHz] Pásmo 1 2100 MHz 2 60 MHz 1920-1980 2110-2170 Pásmo 2 1900 MHz 2 60 MHz 1850-1910 1930-1990 Pásmo 3 1800 MHz 2 75 MHz 1710-1785 1805-1880 Pásmo 4 1700 MHz 2 45 MHz 1710-1755 2110-2155 Pásmo 5 850 MHz 2 25 MHz 824-849 869-894 Pásmo 6 800 MHz 2 10 MHz 830-840 875-885 Pásmo 7 2600 MHz 2 70 MHz 2500-2570 2620-2690 Pásmo 8 2100 MHz 2 35 MHz 880-915 925-960 Pásmo 9 1700 MHz 2 35 MHz 1749.9-1784.9 1844.9-1879.9 Pásmo 10 1700 MHz 2 60 MHz 1710-1770 2110-2170 Pásmo 11 1500 MHz 2 25 MHz 1427.9-1452.9 1476.9-1800.9 Pásmo 12 US700 MHz 2 18 MHz 688-716 728-746 Pásmo 13 US700 MHz 2 10 MHz 777-787 746-756 Pásmo 14 US700 MHz 2 10 MHz 788-798 758-768 Pásmo 17 US700 MHz 2 10 MHz 704-716 734-746 Pásmo 18 Japan800 MHz 2 15 MHz 815-830 860-875 Pásmo 19 Japan800 MHz 2 15 MHz 830-845 875-890 J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 15 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 Frekvenční pásma pro nepárové spektrum TDD Vyšší kapacita sítě Označení Frekvenční pásmo Celková šířka Uplink [MHz] Pásmo 33 UMTS TDD1 1 x 20 MHz 1900-1920 Pásmo 34 UMTS TDD2 1 x 15 MHz 2010-2025 Pásmo 35 US 1900UL 1 x 60 MHz 1850-1910 Pásmo 36 US 1900DL 1 x 60 MHz 1930-1990 Pásmo 37 US 1900 1 x 20 MHz 1910-1930 Pásmo 38 2600 1 x 50 MHz 2570-2620 Pásmo 39 UMTS TDD 1 x 40 MHz 1880-1920 Pásmo 35 2300 1 x 100 MHz 2300-2400 J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 16 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 Přehled parametrů fyzické vrstvy Obrázek: Variabilita frekvenčního kanálu a možnosti duplexního provozu [?] šířka kanálu [MHz] 1.4 3 5 10 15 20 počet Resource blocks 6 15 25 50 75 100 Modulace MIMO Downlink Uplink Downlink 2 2, 4 4 QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM, 64QAM a J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 17 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 Používané modulace pro Traffic Channels, PDSCH, PUSCH 1 Vnitřní modulace OFDM symbolu QPSK, 16QAM, 64QAM Adaptive Modulation and Coding (CQI) Řídící kanály používají modulace s nižším počtem stavů Pro uplink je 64QAM volitelná Q phase 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 I phase J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 18 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 Mobilní nebo statický uživatel Dopplerův posuv 10 0 10 1 Modulation BER, no coding 16QAM, R 16QAM, R div QPSK, A QPSK, R f max = v λ cos(θ) BER 10 2 Vícecestné šíření a mnoho dalších vlivů... 10 3 10 4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 E b /N 0 [db] J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 19 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 Tx SISO Rx Tx SIMO Rx Transmitter Receiver t 0 t τ 1 τ 2 τ 3 τ 4 t Tx MISO Rx Tx MIMO Rx J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 20 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 A 1 A 1 A 2 PedA A 3 A 5 A 4 PedB A 2 A 3 A 6 A 4 τ5 τ6 τ 4 τ 1 τ 2τ3 t τ 1 τ 2 τ 3 τ 4 t A 1 A 2 A 3 A 4 VehA A 5 A 6 J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 21 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 Single Input Single Output dynamika úrovně přijatého signálu městské prostředí, rychlost chodce, f Dmax = 10Hz J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 22 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 Single Input Single Output dynamika úrovně přijatého signálu městské prostředí, rychlost vozidla, f Dmax = 100Hz J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 23 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 Single Input Multiple Output 1 Tx + M Rx antén Vytvoření nekorelovaných přenosových kanálů Různé typy příjmu, základním typem je výběr signálu Switching Diversity Selecting Diversity se znalostí vysílaného signálu lze využít adaptivní přístup Maximum Ratio Combining Minimum Mean Square Error Interference Rejection Combining při použití beamformingu přijímací antény Při výskytu výrazných zdrojů rušení J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 24 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 Multiple Input Single Output M Tx + 1 Rx anténa Vysílací diverzita se zpětnou vazbou Channel-State Information (CSI) se přenáší nezávislým kanálem zpět na vysílací stranu Nastavení adaptivních vah na vysílací straně Není vhodné pro systémy s velkou mobilitou Nespolehlivost přenosu CSI způsobuje pokles SNR Vysílací diverzita bez zpětné vazby Na vysílací straně jsou signály předzpracovány pro zajištění efektivního příjmu Kombinace s časovou nebo frekvenční diverzitou CDD Cyclic Delay Diversity STTD, SFTD (Space Time/Frequency Diversity) STBC, SFBC (Space Time/Frequency Block Coding) FSTD Frequency Shift Time Diversity J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 25 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 Multiple Input Multiple Output H h 1,1 n 1 s 1 h 1,2 r 1 ŝ 1 Tx h 2,1 Rx s 2 h 2,2 r 2 ŝ 2 n 2 ( ) ( ) ( ) ( ) r1 h1,1 h R = = 1,2 s1 n1 + = Hs + n r2 h 2,1 h 2,2 s 2 n 2 J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 26 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 Spektrální a výkonová účinnost ( C = B log 2 1 + S ) N Spektrální účinnost [bps/hz] Počet bitů na symbol Nutno odečíst pilotní nosné γ = f b B V závislosti na šířce kanálu se mění spektrální účinnost systému Overhead řídících kanálů Výkonová účinnost J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 27 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 Spektrální účinnost pro Downlink Spectral Efficiency (bps/hz/sector) 2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Future improvements HSPA+ SIC, 64 QAM HSPA+ 2X2 MIMO HSDPA MRxD, Equalizer HSDPA UMTS R 99 Future improvements LTE 4X4 MIMO LTE 4X2 MIMO LTE 2X2 MIMO Future improvements Rev B Cross-Carrier Scheduling Rev A, MRxD, Equalizer EV-DO Rev 0 Future improvements Rel 1.5 4X2 MIMO Rel 1.5 2X2 MIMO Rel 1.0 2X2 MIMO UMTS/HSPA LTE CDMA2000 WiMAX J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 28 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 Spektrální účinnost pro Uplink Spectral Efficiency (bps/hz/sector) 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Future Improvements HSPA+ Interference Cancellation, 16 QAM HSUPA Rel 6 UMTS R 99 to Rel 5 LTE 1x4 Receive Diversity LTE 1X2 Receive Diversity Future Improvements EV-DO Rev B, Interference Cancellation EV-DO Rev A EV-DO Rev 0 Future Improvements Rel 1.5 1X4 Receive Diversity Rel 1.5 1X2 Rx Div Rel 1.0 UMTS/HSPA LTE CDMA2000 WiMAX J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 29 / 104
OFDM Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 Subcarrier spectrum sin(pf/ f ) (pf/ f ) 2 Pulse shape T u 1/ f Time domain 4 f 3 f 2 f f 0 f 2 f 3 f 4 f Frequency domain N c 1 x(t) = k=0 N c 1 x k (t) = k=0 a (m) k exp (j2πk ft) f 1/T u J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 30 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 OFDM modulátor s využitím IFFT [a k, b k ].. 100011101011... [a k, b k ] MQAM MUX [a k+1, b k+1]. IFFT. DEMUX OFDM CP [a k+n, b k+n] S(f ) s(t) Vnitřní modulátor subnosné IFFT pro N = 2 n problém s ISI a ICI J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 31 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 Vkládání cyklického prefixu Copy and insert a 0 OFDM mod. (IFFT ) CP insertion a Nc 1 T u (N samples) T u T cp (N N CP samples) T CP T u t Direct path Reflected path t Integration interval for demodulation of direct path Ideal Ideal a) 0 t t ISI Tg No ISI, ICI b) 0 τ t d) 0 τ No ISI, No ICI Tg No ISI c) e) 0 τ t 0 τ t CP CP t J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 32 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 Single wideband carrier OFDM signal Subcarrier experiencing very bad channel quality Power density (dbm/30 khz) 30.0 20.0 10.0 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 WCDMA OFDM 50.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Frequency (MHz) J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 33 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 Modulátor OFDMA pro LTE J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 34 / 104
OFDMA struktura Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 RB se skládá z 12 subnosných po 15 khz RB se skládají okolo DC subcarrier ve středu pásma One resource block (12 subcarriers, 180 khz) DC-subcarrier f 15 khz N RB resource blocks (12N RB 1 subcarrier) J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 35 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 Časově frekvenční struktura pro FDD 1 frame frame 10 ms 1 ms #0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 Resource Element 1 OFDM symbol 12 sub 7 sym = 1 resource block 12 subcarriers, f 15 khz 12 subcarriers, 180 khz 1 slot, 0.5 ms 1 subframe, 1 ms J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 36 / 104
Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 Souhrn časově frekvenční struktury pro FDD 1 rádiový rámec (Radio Frame), doba trvání 10 ms 10 subrámců, doba trvání 1 ms 1 subrámec obsahuje 2 sloty po 0.5 ms 1 slot x 12 subnosných je 1 Resource block 1 slot obsahuje 7 (normální cyklický prefix) nebo 6 (prodloužený cyklický prefix) OFDM symbolů 1 OFDM symbol na 1 subnosné je Resource Element frekvenční rozestup subnosných je 15 khz, pro MBMS sítě lze použít i f = 7.5kHz J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 37 / 104
SC-FDMA Long Term Evolution - LTE Fyzická vrstva dle Release 8 N-bodová DFT podle počtu RB Subcarrier mapping, padding Localized Distributed M - point IDFT = IFFT M = 2 n J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 38 / 104
Obsah prezentace Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě 1 Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Fyzická vrstva dle Release 8 Frekvenční pásma Rádiové rozhraní Základní parametry fyzické vrstvy Používané modulace Diverzita a prostorový multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access pro downlink Single Carrier Frequency Division Multiple Access Zpracování dat ve fyzické vrstvě Hybridní ARQ Cyclic Redundancy Check Kanálové kódování a rate matching Mapování fyzických kanálu do resource grid Scheduling LTE Time Divission Duplex Vrstvový model LTE Srovnání LTE s ostatními standardy Self Organizing Networks 2 LTE Advanced J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 39 / 104
Long Term Evolution - LTE Funkce PHY vrstvy - Downlink Zpracování dat ve fyzické vrstvě 1 or 2 transport blocks of dynamic size per TTI Hybrid-ARQ MAC Hybrid-ARQ MAC MAC scheduler ACK/NAK Hybrid-ARQ info Modulation scheme Redundancy version Antenna assignment Resource assignment PHY CRC Coding, rate matching Data modulation Antenna mapping Resource mapping ACK/NAK Hybrid-ARQ info Redundancy version Error indication CRC check Decoding Data demodulation Antenna demapping Resource demapping PHY enodeb mobile terminal J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 40 / 104
PHY Downlink Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě Fyzická vrstva provádí funkce kódování, modulace, mapování na antény a mapování Resource blocks podle řízení z MAC vrstvy do UE je nutné předat informaci o použitém režimu HARQ HARQ informace se předávájí pomocí BCH Přenáší se 1 nebo 2 (MIMO) transportní bloky v jednom TTI J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 41 / 104
Funkce PHY vrstvy - Uplink Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě 1 transport blocks of dynamic size per TTI Hybrid-ARQ MAC Hybrid-ARQ MAC MAC scheduler ACK/NAK Redundancy version Modulation scheme Resource assignment Error indication CRC check Decoding Data demodulation Resource demapping PHY From Node B scheduler ACK/NAK Redundancy version Modulation scheme Resource assignment PHY CRC Coding, rate matching Data modulation Resource mapping enodeb mobile terminal (UE) J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 42 / 104
PHY Uplink Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě LTE nepodporuje MIMO pro uplink, proto se zpracovává pouze 1 transport block během TTI Parametry pro modulaci a mapování jsou získány z řídících informací předaných schedulerem na downlinku odpadá mapování na antény Standard definuje Multiuser MIMO J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 43 / 104
Hybrid ARQ Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě Komunikace s potvrzeným přenosem ACK/NACK - ARQ Automatic Repeat Request FEC kódování HARQ spojuje možnost změny FEC při opakovaném přenosu informace nebo redundantních bitů Zvyšuje propustnost systému Dva základní typy Chase Combining (Soft Combining) Incremental Redundancy J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 44 / 104
Chase combining I Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě Info bits Coded bits CRC insertion, rate-3/4 error-correcting coding Transmitted bits Initial transmission First retransmission Second retransmission Third retransmission Bits input to decoder Accumulated energy Resulting code rate E b 2E b 3E b 4E b R 3/4 R 3/4 R 3/4 R 3/4 J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 45 / 104
Chase Combining II Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě Vstupní bity jsou kódovány a připojeno CRC Při opakovaném přenosu se přenáší stejný blok dat a zabezpečení Na straně přijímače dochází ke zvyšování poměru E b /N 0 Zůstává stejný kódový poměr Zvýšením SNR se zvyšuje pravděpodobnost správného dekódování J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 46 / 104
Incremental redundancy Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě Info bits Coded bits CRC insertion, rate-1/4 error-correcting coding Puncturing to generate different redundancy versions Transmitted bits Redundancy version 1 Redundancy version 2 Redundancy version 3 Redundancy version 1 Initial transmission First retransmission Second retransmission Third retransmission Bits input to decoder Accumulated energy Resulting code rate E b 2E b 3E b 4E b R 3/4 R 3/8 R 1/4 R 1/4 J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 47 / 104
Incremental redundancy II Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě Kódování s menším kódovým poměrem = větší zabezpečení Pomocí tečkování (Puncturing, Bit Pruning) se mění zabezpečení Opakovaným přenosem se zvyšuje úroveň zabezpečení a zvyšuje poměr SNR Počet retransmisí je typicky 3 + první přenos J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 48 / 104
Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě Používané typy kódování pro transportní kanály Transport Channel (TrCH) Použité kódování Kódový poměr Uplink Shared Channel (UL-SCH) Downlink Shared Channel (DLSCH) Paging Channel (PCH) Multicast Channel (MCH) Broadcast Channel (BCH) Turbo Coding 1/3 Tail Biting Convolutional Coding 1/3 Rate Matching a mapování do fyzických kanálů UL/DL SCH Up/Down Shared channel PCH Paging Channel MCH Multicast Channel BCH Broadcast Channel J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 49 / 104
Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě Používané typy kódování pro řídící informace Control Information Coding Scheme Coding Rate Tail biting Downlink Control Information (DCI) Convolutional 1/3 Coding Control Format Indicator (CFI) Block Code 1/16 Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ) indicator (HI) Repetion Code 1/3 Uplink Control Information (UCI) Block Code Tail Biting Convolutional Coding variable DCI - Downlink Control Information CFI - Control Format Indicator HI - HARQ Indicator UCI - Uplink Control Information J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 50 / 104
Základní vlastnosti FEC Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě zpracování TB z MAC vrstvy probíhá následovně: Detekce chyby pomocí CRC celkem 4 typy CRC, délka 8, 16 nebo 24(a,b) bitů Korekční kód Konvoluční kód PCCC Turbo kód (Parallel Concatenated Convolutional Code) Rate Matching Interleaving Mapování do fyzických kanálů J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 51 / 104
Konvoluční kódování Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě Jednoduché operace sčítání časově zpožděných bitů a vstupného bitu Snadná změna kódového poměru (Puncturing pro Rate Matching) Trellis konvolučního kódu Viterbiho dekodér c k (0) d k (1) d k (2) d k J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 52 / 104
Turbo kódy I Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě Paralelně zřetězené konvoluční kódy, které využívají iterativní postup při dekódování. Vynikají výbornými vlastnostmi při nízkých poměrech SNR. Dva jednoduché konvoluční kodéry, na vstup prvního přicházejí informačními bity, na vstup druhého proložené bity Prokládací blok má významný vliv na výslednou chybovost J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 53 / 104
Turbo kódy II - Dekódování Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě Princip kódu je známý několik desítek let Vychází z BCJR algoritmu dekódování blokových kódů dva nezávislé datové toky jednotlivé dekodéry proto mají nezávislý zdroj informace dekodér má na výstupu dvě hodnoty: hodnota bitu (±1) pravděpodobnost, že byl daný bit dekódován správně existují dva základní algoritmy pro dekodéry MAP Maximum Aposteriori Probability SOVA Soft Output Viterbi Algoritmus J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 54 / 104
Turbo kódy III Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě x k 1st constituent encoder z k c k D D D Output Input Turbo code internal interleaver Output 2nd constituent encoder z k c k D D D x k J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 55 / 104
Long Term Evolution - LTE Transformace IP paketu na Transport Block Zpracování dat ve fyzické vrstvě SAE bearer 1 SAE bearer 1 SAE bearer 2 Header Payload Header Payload Header Payload PDCP header compression, ciphering PDCP header Header Payload PDCP SDU Header PDCP header Payload PDCP SDU Header PDCP header Payload PDCP SDU RLC segmentation, concatenation RLC SDU RLC SDU RLC SDU RLC header RLC header RLC header MAC multiplexing MAC header MAC SDU MAC header MAC SDU PHY Transport block CRC Transport block CRC J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 56 / 104
Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě IP packet IP packet PDCP #i User #i User #j Header compression SAE bearers PDCP Header compression MAC MAC scheduler Payload selection Priority handling, payload selection Retransmission control Modulation scheme Antenna and resource assignment RLC #i PHY Ciphering Segmentation, ARQ MAC multiplexing Hybrid ARQ Coding Modulation Antenna and resource mapping Radio bearers Logical channels Transport channel RLC MAC PHY Deciphering Concatenation, ARQ MAC demultiplexing Hybrid-ARQ Decoding Demodulation Antenna and resource demapping Redundancy version enodeb Mobile terminal (UE) J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 57 / 104
Long Term Evolution - LTE Přehled transportních kanálů Zpracování dat ve fyzické vrstvě Broadcast channel DownLink Shared Channel Paging Channel Multicast Channel Uplink Shared Channel Random Access Channel J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 58 / 104
Fyzické kanály a signály Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě PUSCH Physical Uplink Shared Channel - uživatelská data uplink PUCCH Physical Uplink Control Channel - řídící informace uplink PRACH Physical Random Access Channel - náhodný přístup uplink PDSCH Physical Downlink Shared Channel - uživatelská data PBCH Physical Broadcast Channel - Broadcast informace, údaje o buňce a další (Cell ID,...) PMCH Physical Multicast Channel - pro MBMS PCFICH Physical Control Format Indicator Channel PDCCH Physical Downlink Control Channel - řídící informace PHICH Physical HARQ Indicator Channel - řízení HARQ (ACK/NACK) +referenční (pilotní subnosné pro rozlišení jednotlivých přenosových vrstev) a synchronizační signály (primární a sekundární synchronizace) bez vazby na vyšší vrstvy. J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 59 / 104
Mapování kanálů Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě Řídící kanály, BCH a PRACH channel jsou mapovány kolem DC subcarrier J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 60 / 104
Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě Primární a sekundární synchronizace v rádiovém rámci 10 ms radio frame 1 ms subframe #0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 0.5 ms slot 0.5 ms slot 0.5 ms slot 0.5 ms slot 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 72 subcarriers System bandwidth Secondary synchronization signal Primary synchronization signal OFDM symbol J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 61 / 104
Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě Mapování RB mezi uživatele, B=5MHz, 25 RB, 3 subrámce J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 62 / 104
Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě Mapování RB mezi uživatele, uplink, B=5MHz, 1 subrámec J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 63 / 104
Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 64 / 104
Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 65 / 104
Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě Časově a frekvenčně závislé plánování paketů J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 66 / 104
Long Term Evolution - LTE Možnosti přidělování RR uživatelům Zpracování dat ve fyzické vrstvě Maximum Quality Cílem je maximalizovat propustnost Pro některé uživatele nebudou dostupné rádiové zdroje Problém s VoIP Round Robin Každý uživatel má definované časové okno, ve kterém se přenáší jeho data Není optimálně využita propustnost sítě (AMC) Proportional Fair Snaha o optimalizovaný přístup k RB a uživatelům Radio-link quality Radio-link quality Radio-link quality Time Time Time J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 67 / 104
Long Term Evolution - LTE Fractional Reuse Factor a Cell Edge Zpracování dat ve fyzické vrstvě Reduced Tx power Cell-center terminals, cell 1 Cell-edge terminals, cell 1 Cell-edge terminals, cell 2 Cell-edge terminals, cell 3 J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 68 / 104
Long Term Evolution - LTE Rozlišení prostorových toků I Zpracování dat ve fyzické vrstvě One slot (0.5 ms) Frequency Time Downlink reference symbol J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 69 / 104
Long Term Evolution - LTE Rozlišení prostorových toků II Zpracování dat ve fyzické vrstvě Antenna #1 Antenna #2 Frequency Time (a) J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 70 / 104
Long Term Evolution - LTE Rozlišení prostorových toků III Zpracování dat ve fyzické vrstvě Antenna #1 Antenna #2 Antenna #3 Antenna #4 Frequency Time (b) J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 71 / 104
Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě 4 throughput, 1.4MHz, SISO AWGN, 1000 subframes 4 throughput, 1.4MHz, MIMO VehA, 1000 subframes 3.5 3.5 3 3 throughput [Mbps] 2.5 2 1.5 1 0.5 0 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 SNR [db] CQI 01 CQI 02 CQI 03 CQI 04 CQI 05 CQI 06 CQI 07 CQI 08 CQI 09 CQI 10 CQI 11 CQI 12 CQI 13 CQI 14 CQI 15 throughput [Mbps] 2.5 2 1.5 1 0.5 0 10 5 0 5 10 15 20 25 30 SNR [db] CQI 10 CQI 11 CQI 12 CQI 13 CQI 01 CQI 14 CQI 15 CQI 16 CQI 02 CQI 03 CQI 04 CQI 05 CQI 06 CQI 07 CQI 08 (a) Propustnost LTE v závislosti na CQI, AWGN kanál (b) Propustnost LTE v závislosti na CQI, VehA kanál J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 72 / 104
Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě 10 9 8 7 SISO TxD 2x1 4x2 TxD 4x2 OLSM SISO 3re TxD 2x1 3re 4x2 TxD 3re 4x2 OLSM 3re AWGN, 1.4 MHz CQI 15, 64QAM Spatial multiplexing Throughput Gain throughput [Mbps] 6 5 4 3 Retransmissions gain Pilots overhead 2 1 Diversity gain 0 5 0 5 10 15 20 25 30 SNR [db] J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 73 / 104
Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě 2.5 1.4MHz VehA ZF equalizer, CQI 7 (16QAM) 2 Spatial Multiplexing SISO MISO 2x1 MIMO 4x2 MIMO 4x2 SM throughput [Mbps] 1.5 1 0.5 3 rd retransmission s gain 0 10 5 0 5 10 15 20 25 30 SNR [db] J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 74 / 104
Struktura TDD rámce Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě Radiový rámec Type II je rozdělen na dvě poloviny s dobou trvání 5 ms, které se označují jako half-frame. Half-frame se stejně jako rámce pro FDD skládají ze subrámců, každý subrámec má dva sloty a podle délky cyklického prefixu 6 nebo 7 OFDM symbolů. V každém 2. subrámci v half-frame se mohou přenášet speciální subrámce, které zajišt ují přepnutí mezi downlinkem a uplinkem. Speciální subrámce obsahují DwPTS Downlink Pilot Time Slot GP Guard Period UpPTS Uplink Pilot Time Slot J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 75 / 104
LTE TDD Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě TDD režim je výhodný pro asymetrický přenos dat downlink/uplink, nepotřebuje dva frekvenční kanály, tím se zlepšuje spektrální účinnost systému, FDD pásmo má v mnoha případech velkou frekvenční rozteč, přenosové prostředí má jiné vlastnosti (útlum šířením, shadowing,... ), TDD mód má lepší možnosti pro odhad stavu kanálu, protože se používá stejná frekvence, lze provádět pouze odhad kanálu pro uplink (na straně enodeb) a použít jej v downlinku. Time Division Duplex (TDD) Approximately symmetric Asymmetric (downlink focus) Asymmetric (uplink focus) First and sixth subframe always assigned for downlink transmission Downlink transmission Uplink transmission Uplink-downlink Downlink-to-Uplink Subframe number configuration Switch-point periodicity 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 5 ms D S U U U D S U U U 1 5 ms D S U U D D S U U D 2 5 ms D S U D D D S U D D 3 10 ms D S U U U D D D D D 4 10 ms D S U U D D D D D D J. Prokopec (UREL FEKT 5 VUT) 10 ms MSMK D S U D D D D D D květen D 2012 76 / 104
Mapování RB pro TDD Long Term Evolution - LTE Zpracování dat ve fyzické vrstvě J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 77 / 104
Obsah prezentace Long Term Evolution - LTE Vrstvový model LTE 1 Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Fyzická vrstva dle Release 8 Frekvenční pásma Rádiové rozhraní Základní parametry fyzické vrstvy Používané modulace Diverzita a prostorový multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access pro downlink Single Carrier Frequency Division Multiple Access Zpracování dat ve fyzické vrstvě Hybridní ARQ Cyclic Redundancy Check Kanálové kódování a rate matching Mapování fyzických kanálu do resource grid Scheduling LTE Time Divission Duplex Vrstvový model LTE Srovnání LTE s ostatními standardy Self Organizing Networks 2 LTE Advanced J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 78 / 104
Long Term Evolution - LTE Vrstvový model LTE Power-up LTE_DETACHED No IP address Position not known LTE_ACTIVE IP address assigned Connected to known cell LTE_IDLE IP address assigned Position partially known DL DRX period OUT_OF_SYNC DL reception possible No UL transmission IN_SYNC DL reception possible UL transmission possible LTE_DETACHED stav po zapnutí UE, kdy terminál nemá přiřazenu IP adresu a jeho poloha vůči enodeb není známa LTE_ACTIVE zařízení má přiřazenou IP adresu a je připojeno k aktivní buňce systému. V aktivním stavu mohou nastat dvě situace: OUT_OF_SYNC kdy terminál může přijímmat data pouze v downlinku, přenos v uplinku není možný, IN_SYNC terminál může přijímat i vysílat data LTE_IDLE IP adresa zůstala UE přiřazena, ale systém nezná přesnou polohu UE v rámci sítě J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 79 / 104
Long Term Evolution - LTE Vrstvový model LTE Protokolový stack LTE pro uživatelská data NETWORK ARCHITECTURE 31 Application IP IP PDCP Relay Relay GTP - U PDCP GTP - U GTP - U GTP - U RLC RLC UDP/IP UDP/IP UDP/IP UDP/IP MAC MAC L2 L2 L2 L2 L1 L1 L1 L1 L1 L1 LTE - Uu S1 - U S5/S8 a SGi UE enodeb Serving GW PDN GW Figure 2.6 The E-UTRAN user plane protocol stack. Reproduced by permission of 3GPP. J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 80 / 104
um Access Control) sublayers which are terminated in the enodeb on the net J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 81 / 104 Long Term Evolution - LTE Vrstvový model LTE Protokolový stack LTE pro uživatelská data 2.6 The E-UTRAN user plane protocol stack. Reproduced by permission of 3 NAS RRC PDCP RRC PDCP Relay S1- AP SCTP NAS S1- AP SCTP RLC RLC IP IP MAC MAC L2 L2 L1 L1 L1 L1 UE LTE- Uu enodeb S1- MME MME igure 2.7 Control-plane protocol stack. Reproduced by permission of 3GPP.
Obsah prezentace Long Term Evolution - LTE Srovnání LTE s ostatními standardy 1 Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Fyzická vrstva dle Release 8 Frekvenční pásma Rádiové rozhraní Základní parametry fyzické vrstvy Používané modulace Diverzita a prostorový multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access pro downlink Single Carrier Frequency Division Multiple Access Zpracování dat ve fyzické vrstvě Hybridní ARQ Cyclic Redundancy Check Kanálové kódování a rate matching Mapování fyzických kanálu do resource grid Scheduling LTE Time Divission Duplex Vrstvový model LTE Srovnání LTE s ostatními standardy Self Organizing Networks 2 LTE Advanced J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 82 / 104
LTE vs. Mobile WiMAX Long Term Evolution - LTE Srovnání LTE s ostatními standardy LTE Rel.8 802.16e 802.16m HSPA+ Rel.8 Downlink OFDMA OFDMA OFDMA WCDMA Uplink SC-FDMA OFDMA OFDMA WCDMA Duplex FDD/TDD FDD/TDD FDD/TDD FDD Speed [kmh] 350 250 250 250 Bandwidth 1,4-20 3,5-10 5-40 5 Peak Data Rate [Mbps] 302 46 350 42 75 4 200 11,5 20 10 20 Spectral eff. [bps/hz/sec] 1,91 1,91 2,6 0,72 0,84 1,3 Latency 5ms 20 10 50 ms 50 30 VoIP 80 users/sector/fdd/1mhz 20 users/sector/tdd/1mhz 30 users/sector/fdd/1mhz J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 83 / 104
Long Term Evolution - LTE LTE vs Mobile WiMAX technologie Srovnání LTE s ostatními standardy LTE Mobile WiMAX Air Interface QPSK-64QAM OFDMA QPSK-64QAM OFDMA Core All IP All IP PAPR SC-FDMA FEC Control CC, K=7,R=1/3 CC, K=7,R=1/3 FEC Data CTC, K=4,R=1/3 CTC, K=4,R=1/3 H-ARQ IR, ChC ChC + IR MIMO SM SM Diversity TD (Alamouti, CCD) TD (Alamouti, CCD) Beamforming Beamforming J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 84 / 104
Obsah prezentace Long Term Evolution - LTE Self Organizing Networks 1 Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Fyzická vrstva dle Release 8 Frekvenční pásma Rádiové rozhraní Základní parametry fyzické vrstvy Používané modulace Diverzita a prostorový multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access pro downlink Single Carrier Frequency Division Multiple Access Zpracování dat ve fyzické vrstvě Hybridní ARQ Cyclic Redundancy Check Kanálové kódování a rate matching Mapování fyzických kanálu do resource grid Scheduling LTE Time Divission Duplex Vrstvový model LTE Srovnání LTE s ostatními standardy Self Organizing Networks 2 LTE Advanced J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 85 / 104
Architektura mobilních sítí Long Term Evolution - LTE Self Organizing Networks TE R MT GERAN Um MSC EIR HLR/AuC* HSS* C SMS-GMSC SMS-IWMSC SMS-SC Gb, Iu Gs Gf Gr Gd Gc PCRF Gx+ (Go/Gx) Gmb Rx+ (Rx/Gq) AF BM-SC TE MT UTRAN R Uu UE Gm Iu SGSN SGSN Gn Ga Gn/Gp Billing System* CGF* GGSN Ga Gy Mb OCS* Gi Mb MRFP IMS Gi IMS- MGW PDN Wi P-CSCF Mw CSCF WLAN UE Intranet/ Internet Ww Wu WLAN Access Network CDF D/Gr Wf Wf Wd 3GPP AAA Wa Wa Proxy Wg WAG Wn Wp Traffic and signaling Signaling HLR/ AuC* Cx HSS* Wx Dw 3GPP AAA Server Wo Wy Wm PDG Wz CGF* Dx SLF OCS* Billing System* ** Note: * Elements duplicated for picture layout purposes only, they belong to the same logical entity in the architecture baseline. ** is a reference point currently missing J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 86 / 104
Raději takto Long Term Evolution - LTE Self Organizing Networks GERAN UTRAN Evolved RAN S1 Gb Iu Evolved Packet Core SGSN S3 MME UPE S5a GPRS Core S4 3GPP Anchor IASA S5b S2a SAE Anchor S7 S6 S2b epdg HSS PCRF Rx+ Op. IP SGi Serv. (IMS, PSS, etc ) WLAN 3GPP IP Access Trusted non 3GPP IP Access WLAN Access NW * Colour coding:red indicates new functional element / interface J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 87 / 104
Funkcionality enodeb Long Term Evolution - LTE Self Organizing Networks Radio Resources Management Admission Control Mobility Control Packet Scheduling Routing datového toku k SGW Přenos Pagingových zpráv z MME a další :) J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 88 / 104
Funkce MME Long Term Evolution - LTE Self Organizing Networks NAS Non Access Stratum signalizace NAS zabezpečení signalizace Řízení zabezpečení AS Řízení mobility mezi 3GPP RAN Výběr SGSN pro řízení HO do 2G Roaming Authentification J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 89 / 104
Komunikace mezi enodeb Long Term Evolution - LTE Self Organizing Networks Řízení interferencí mezi enodeb pomocí zpráv přes rozhraní X2 Uplink Interference Overload Indicator Message pro detekci na jednotlivých RB High Interfernece Indicator při přidělování RB pro Cell Edge uživatele Downlink Interference pomocí Tx Power Message f J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 90 / 104
Home enodeb Long Term Evolution - LTE Self Organizing Networks Zákazník si může koupit vybavení, které sdílí frekvenční spektrum zakoupené operátorem Zajištění lepšího pokrytí Zvýšení kapacity Propojení do sítě pomocí speciální brány HeNB GW Režim Closed access Mode pro uživatele Closed Subscriber Group Hybrid Access Mode CSG mají vyšší prioritu Open Access Mode Přenos parametrů pro identifikaci HeNB na BCH J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 91 / 104
Self Organizing Networks Long Term Evolution - LTE Self Organizing Networks Automatická konfigurace a optimalizace sítě Omezení centrálního plánování Založené na výměně informací mezi Neighbour enodeb Využití informací z UE Automatic Neighbour Relation pomocí informací o Cell Global Identity získaných z reportů UE Mobility parameters optimization pro lepší Load balancing J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 92 / 104
Obsah prezentace LTE Advanced 1 Long Term Evolution - LTE Základní vlastnosti LTE-SAE Fyzická vrstva dle Release 8 Frekvenční pásma Rádiové rozhraní Základní parametry fyzické vrstvy Používané modulace Diverzita a prostorový multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access pro downlink Single Carrier Frequency Division Multiple Access Zpracování dat ve fyzické vrstvě Hybridní ARQ Cyclic Redundancy Check Kanálové kódování a rate matching Mapování fyzických kanálu do resource grid Scheduling LTE Time Divission Duplex Vrstvový model LTE Srovnání LTE s ostatními standardy Self Organizing Networks 2 LTE Advanced J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 93 / 104
Vývoj směrem ke 4G LTE Advanced Slučování kanálů Carrier Agregation Multiband Aggregation V každém pásmu specifické parametry Zlepšení spektrální účinnosti Nové metody pro uplink Clustered DFT-S-OFDMA N DFT-S-OFDMA OFDMA kompatibilita s DFT-S-OFDMA Turbo Equalization J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 94 / 104
Vývoj směrem ke 4G II LTE Advanced Zlepšování Tx diverzity Lepší CSI/precoding důraz na TDD Podpora více antén (8x8, experimenty 12x12) Cooperative MIMO Interference Cancelation Relays pro zlepšení SINR na Cell Edge J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 95 / 104
Carrier Aggregation LTE Advanced Slučování více rádiových kanálů používá se Intra a Inter band Aggregation až 100 MHz šířky pásma pro jednoho uživatele prozatím intra band pro pásmo 1, 9 GHz a 2, 3 GHz inter band pro kombinaci pásem 1 a 5 viz předchozí tabulky vždy obsahuje primární rádiový kanál, sekundární kanály se přidávají až v RRC_Connected symetrické-asymetrické CA pro uplink CA až v Rel 11 kombinace MIMO 8x8 a CA až 3 Gbps!!! J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 96 / 104
Carrier Aggregation LTE Advanced J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 97 / 104
Downlink MIMO 8x8 LTE Advanced J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 98 / 104
Reference - Standard LTE Advanced 3GPP TS 36.101 V8.9.0 (2010-03) User Equipment (UE) radio transmission and reception (Release 8) 3GPP TS 36.104 V8.9.0 (2010-03) Base Station (BS) radio transmission and reception (Release 8) 3GPP TS 36.201 V8.3.0 (2009-03) LTE Physical Layer - General Description (Release 8) 3GPP TS 36.211 V8.9.0 (2009-12) Physical Channels and Modulation (Release 8) 3GPP TS 36.212 V8.8.0 (2009-12 Multiplexing and channel coding (Release 8) J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 99 / 104
Reference - Články LTE Advanced Anders Furuskär, Tomas Jönsson, and Magnus Lundevall The LTE Radio Interface Key Characteristics and Performance IEEE Xplore 2008 Carsten Ball, Thomas Hindelang, Iavor Kambourov, Sven Eder Spectral Efficiency Assessment and Radio Performance Comparison between LTE and WiMAX IEEE Xplore 2008 Man Hung Ng, Shen-De Lin, Jimmy Li, and Said Tatesh, Alcatel-Lucent Coexistence Studies for 3GPP LTE with Other Mobile Systems IEEE Communications Magazine, April 2009 Yang Yang, Honglin Hu, Jing Xu, Guoqiang Mao Relay Technologies for WiMAX and LTE-Advanced Mobile Systems IEEE Communications Magazine, October 2009 J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 100 / 104
Reference - Články LTE Advanced Anna Larmo, Magnus Lindström, Michael Meyer, Ghyslain Pelletier, Johan Torsner, and Henning Wiemann The LTE Link-Layer Design IEEE Communications Magazine, April 2009 David Astély, Erik Dahlman, Anders Furuskär, Ylva Jading, Magnus Lindström, and Stefan Parkvall LTE: The Evolution of Mobile Broadband IEEE Communications Magazine, April 2009 StevenW. Peters, Ali Y. Panah, Kien T. Truong, and RobertW. Heath Jr. Relay Architectures for 3GPP LTE-Advanced EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking Relay Architectures for 3GPP LTE-Advanced Luis Ángel Maestro Ruiz de Temino, Gilberto Berardinelli, Simone Frattasi and Preben Mogensen Channel-Aware Scheduling Algorithms for SC-FDMA in LTE Uplink IEEE Xplore, 2008 J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 101 / 104
Reference - Knihy LTE Advanced Dahlman, E and Parkvall, S. and Skold, J. and Beming, P. 3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband. London: Academic Press. 2007. Holma, H. and Toskala LTE for UMTS - OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access New York: John Wiley & sons, 2009 Stefania Sesia,Issam Toufik,Matthew Baker LTE, the UMTS long term evolution: from theory to practice New York: John Wiley & sons, 2009 Rysavy Research HSPA to LTE-Advanced: 3GPP Broadband Evolution to IMT-Advanced 3G Americas, September 2009 J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 102 / 104
Reference - Simulace LTE Advanced Mehlführer, Christian, Wrulich, Martin, Ikuno, Josep Colom, Bosanska, Dagmar, Rupp, Markus Simulating the Long Term Evolution Physical Layer. Proc. of the 17th European Signal Processing Conference (EUSIPCO 2009) Glasgow, Scotland 2009 http://publik.tuwien.ac.at/files/pubdat_175708.pdf Ikuno, Josep Colom, Wrulich, Martin, Rupp, Markus System level simulation of LTE networks Proc. 2010 IEEE 71st Vehicular Technology Conference,Taipei, Taiwan 2010 http://publik.tuwien.ac.at/files/pubdat_184908.pdf J. Prokopec (UREL FEKT VUT) MSMK květen 2012 103 / 104
Poděkování Vytvoření této prezentace bylo finančně podpořeno projektem CZ.1.07/2.3.00/09.0092 Komunikační systémy pro perspektivní kmitočtová pásma operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost. Finanční podpora byla poskytnuta Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.