Мережі LTE - що це? Режим, структура і принцип роботи мережі LTE

Мережа стандарту LTE не так давно була схвалена консорціумом 3GPP. Завдяки використанню такого радіоінтерфейсу вдається отримати мережу з безпрецедентними експлуатаційними параметрами в плані максимальної швидкості, з якою здійснюється передача даних, часу затримки при пересилці пакетів, а також спектральної ефективності. Автори кажуть, що запуск мережі LTE дозволяє більш гнучко використовувати радіоспектр, мультіантенную технологію, адаптацію каналу, механізми диспетчеризації, організацію повторної ретрансляції даних і регулювання потужності.

Передісторія

Мобільний широкосмуговий зв`язок, який базується на технології передачі пакетів даних на високій швидкості по стандарту HSPA, вже стала досить широко визнаною користувачами стільникових мереж. Однак необхідно і далі виробляти вдосконалення їх обслуговування, наприклад, використовуючи збільшення швидкості трансляції даних, мінімізацію часу затримки, а також збільшення загальної ємності мережі, так як вимоги користувачів до послуг подібного зв`язку постійно підвищуються. Саме з цією метою і була зроблена специфікація радіоінтрфейсов HSPA Evolution і LTE консорціумом 3GPP.

Основні відмінності від попередніх версій

Мережа стандарту LTE відрізняється від раніше розробленої системи 3G поліпшеними технічними характеристиками, включаючи максимальну швидкість, з якою здійснюється передача інформації - більше 300 мегабіт за секунду, затримка пересилання пакетів не перевищує 10 мілісекунд, а спектральна ефективність стала набагато вище. Побудова мереж LTE можна здійснювати як у нових частотних смугах, так і у вже наявних в операторів.

Даний радиоинтерфейс позиціонується як рішення, на яке поступово оператори будуть переходити з систем стандартів, існуючих на даний момент, це 3GPP і 3GPP2. А розробка цього інтерфейсу - це досить важливий етап на шляху формування стандарту IMT-Advanced мереж 4G, тобто нового покоління. Фактично в специфікації LTE вже міститься більшість функцій, які спочатку призначалися для систем 4G.

Принцип організації радіоінтерфейсу

Радіозв`язок має характерною особливість, яка полягає в тому, що радіоканал за якістю не є постійним в часі і просторі, а залежить від частоти. Тут необхідно сказати і про те, що параметри зв`язку змінюються відносно швидко в результаті багатопроменевого поширення радіохвиль. Щоб підтримувати постійну швидкість обміну інформацією по радіоканалу, зазвичай застосовується цілий ряд способів звести до мінімуму подібні зміни, а саме - різні методи рознесеною передачі. Одночасно з цим в процесі передачі пакетів інформації користувачі не завжди можуть помітити короткочасні коливання бітової швидкості. Режим мережі LTE передбачає в якості основного принципу радіодоступу не зменшення, а застосування стрімких змін якості радіоканалу для того, щоб забезпечити максимально ефективне використання радиоресурсов, доступних в кожен момент часу. Це реалізується в частотній і тимчасовій областях допомогою технології радіодоступу OFDM.

Пристрій мережі LTE

Що це за система, можна зрозуміти, тільки розібравшись, як вона організована. В її основу закладена звичайна технологія OFDM, що припускає передачу даних за кількома узкополосним піднесучих. Застосування останніх у сукупності з циклічним префіксом дозволяє зробити зв`язок на базі OFDM стійкою до тимчасових дисперсій параметрів радіоканалу, а також дає можливість практично виключити необхідність у використанні складних еквалайзерів на приймаючій стороні. Ця обставина виявляється досить корисним для організації низхідного каналу, так як в цьому випадку вдається спростити обробку сигналів приймачем на головній частоті, що дозволяє знизити вартість самого термінального пристрою, а також потужність, споживану ім. І це стає особливо важливо у випадку використання мережі 4G LTE разом з передачею в режимі декількох потоків.

Висхідний канал, де випромінювана потужність істотно нижче, ніж в низхідному, вимагає обов`язкового включення в роботу енергоефективного методу передачі інформації для збільшення зони покриття, зниження споживаної потужності приймаючим пристроєм, а також його вартості. Проведені дослідження привели до того, що тепер для висхідного каналу LTE використовується одночастотна технологія трансляції інформації у формі OFDM з дисперсією, відповідають закону дискретного перетворення Фур`є. Подібне рішення дозволяє забезпечити меншу відносини середнього та максимального рівня потужності в порівнянні з застосуванням традиційної модуляції, що дозволяє підвищити енергоефективність і спростити конструкцію термінальних пристроїв.

Базовий ресурс, який використовується при передачі інформації відповідно до технології ODFM, можна продемонструвати у вигляді частотно-часової мережі, яка відповідає набору символів OFDM, і піднесучих в тимчасовій і частотній областях. Режим мережі LTE припускає, що в якості основного елемента передачі даних тут використані два ресурсних блоку, які відповідають частотній смузі 180 кілогерц і інтервалу часу в одну мілісекунди. Широкий діапазон швидкостей передачі даних можна реалізувати за допомогою об`єднання частотних ресурсів, налаштування параметрів зв`язку, включаючи швидкість кодування і вибір модуляционного порядку.

Технічні характеристики

Якщо розглядати мережі LTE, що це таке, стане зрозуміло після певних пояснень. Щоб досягти високі цільові показники, які встановлені для радіоінтерфейсу такої мережі, його розробниками було організовано низку досить важливих моментів і функціональних можливостей. Далі буде описано кожен з них з детальним зазначенням на те, який вплив вони роблять на такі важливі показники, як ємність мережі, зона радіопокриття, час затримки і швидкість передачі даних.

Гнучкість застосування радіоспектру

Законодавчі норми, які діють в тому чи іншому географічному регіоні, впливають на те, як буде організована мобільний зв`язок. Тобто, в них пропонується радіоспектр, що виділяється в різних частотних діапазонах непарними або парними смугами різної ширини. Гнучкість використання - це одна з найважливіших переваг радіоспектру LTE, що дозволяє задіяти його в різних ситуаціях. Архітектура LTE мережі дозволяє не тільки працювати в різних частотних діапазонах, але і використовуватися частотні смуги, що мають різну ширину: від 1,25 до 20 мегагерц. Крім цього, така система може здійснювати роботу в непарних і парних частотних смугах, підтримуючи часовий і частотний дуплекс відповідно.

Якщо говорити про термінальних пристроях, то при іспользованеніі парних частотних смуг прилад може діяти в дуплексному або напівдуплексному режимі. Другий режим, в якому терміналом здійснюється прийом і передача даних у різний час і на різних частотах, привабливий тим, що істотно знижує вимоги, що виставляються до характеристик дуплексного фільтра. Завдяки цьому вдається зменшити вартість термінальних пристроїв. Крім того, з`являється можливість для введення в дію парних частотних смуг з незначним дуплексним розносом. Виходить, що мережі мобільного зв`язку LTE можна організувати майже при будь-якому розподілі частотного спектра.

Єдина проблема при розробці технології радіодоступу, де передбачається гнучке застосування радіспектра, - зробити пристрої зв`язку сумісними. З такою метою в технології LTE реалізована ідентична кадрова структура в разі використання частотних смуг різної ширини і різних дуплексних режимів.

Многоантенная трансляція даних

Застосування многоантенной трансляції в системах мобільного зв`язку дозволяє поліпшити їх технічні характеристики, а також розширити їх можливості в плані абонентського обслуговування. Покриття мережі LTE передбачає використання двох методів многоантенной передачі: рознесеною і багатопотокової, в якості окремого випадку якої виділяється формування вузького радіопроменя. Рознесену інформацію можна розглядати в якості способу вирівнювання рівня сигналу, який йде з двох антен, що дозволяє усунути глибокі провали в рівні сигналів, які приймаються від кожної антени окремо.

Можна докладніше розглянути мережу LTE: що це і як вона використовує всі зазначені режими? Рознесена передача тут базується на методі просторово-частотного кодування блоків даних, яке доповнено рознесенням за часом з частотним зрушенням при застосуванні чотирьох антен одночасно. Рознесену передачу використовують зазвичай на загальних низхідних каналах, де не можна застосовувати функцію диспетчеризації в залежності від того, в якому стані знаходиться канал зв`язку. При цьому рознесена передача може бути використана для пересилання даних користувача, наприклад, трафіку VoIP. Через відносно низької інтенсивності подібного трафіку не можна виправдати додаткові накладні витрати, які пов`язані з функцією диспетчеризації, згаданої раніше. Завдяки рознесеною передачі даних вдається підвищити радіус сот і ємність мережі.

Багатопотокова передача для одночасної пересилання ряду потоків інформації по одному радіоканалу передбачає використання декількох приймальних і передавальних антен, що знаходяться в термінальному пристрої та базової мережевої станції відповідно. Це суттєво збільшує максимальну швидкість трансляції даних. Наприклад, якщо термінальне пристрій забезпечений чотирма антенами і така кількість є на базовій станції, то цілком реальною є одночасна передача по одному радіоканалу до чотирьох потоків даних, що дозволяє фактично зробити його пропускну спроможність вчетверо більше.

Якщо використовується мережа з невеликою робочим навантаженням або маленькими сотами, то завдяки багатопотокової передачі вдасться домогтися досить високої пропускної здатності для радіоканалів, а також ефективно використовувати радіоресурс. Якщо є великі стільники і навантаження високого ступеня інтенсивності, то якість каналу не дозволить використовувати передачу в режимі Мультипотік. У такому випадку якість сигналу можна підвищити, якщо задіяти кілька передавальних антен, щоб сформувати вузький промінь для передачі даних в одному потоці.

Якщо розглядати мережу LTE - що це дає їй для досягнення більшої ефективності - то тут варто зробити висновок, що для якісної роботи при різних експлуатаційних умовах в цій технології реалізована адаптивна мультіпотоковая передача, яка дозволяє постійно регулювати кількість потоків, переданих одночасно, відповідно до постійно змінюваних станом каналу зв`язку. При хорошому стані каналу можна здійснювати одночасну передачу до чотирьох потоків даних, що дозволяє досягти швидкості передачі до 300 мегабіт за секунду при ширині частотної смуги в 20 мегагерц.

Якщо стан каналу не є настільки сприятливим, то передача проводиться меншою кількістю потоків. У даній ситуації антени можуть використовуватися для формування вузької діаграми спрямованості, підвищуючи загальну якість прийому, що в підсумку призводить до збільшення пропускної спроможності системи та розширенню обслуговується зони. Щоб забезпечити великі зони радіопокриття або передачу даних на високій швидкості, можна здійснювати передачу одного потоку даних з вузькому промені або задіяти на загальних каналах рознесену трансляцію даних.

Механізм адаптація та диспетчеризації каналу зв`язку

Принцип роботи LTE мереж припускає, що під диспетчеризацией буде матися на увазі розподіл між користувачами мережевих ресурсів для передачі даних. Тут передбачається динамічна диспетчеризація в низхідному і висхідному каналах. Мережі LTE в Росії налаштовані на даний момент так, щоб збалансувати канали зв`язку і загальну продуктивність всієї системи.

Радіоінтерфейс LTE передбачає реалізацію функції диспетчеризації в залежності від того, в якому стані знаходиться канал зв`язку. З її допомогою забезпечується передача даних на високих швидкостях, що досягається за рахунок застосування модуляції високого порядку, передачі додаткових потоків інформації, зменшення ступінь кодування каналів, а також зниження кількості повторних трансляцій. Для цього задіяні частотні і часові ресурси, що характеризуються відносно хорошими умовами зв`язку. Виходить, що передача будь-якого конкретного обсягу даних проводиться за більш короткий проміжок часу.

Мережі LTE в Росії, як і в інших країнах, побудовані так, що трафік сервісів, які зайняті пересиланням пакетів з невеликою корисним навантаженням через однакові часові проміжки, може викликати необхідність у збільшенні об`ємів трафіку сигналізації, який потрібно для динамічної диспетчеризації. Він може навіть перевершувати обсяг інформації, що транслюється користувачем. Саме тому існує таке поняття, як статична диспетчеризація мережі LTE. Що це, стане зрозуміло, якщо сказати, що користувачеві виділяється радіочастотний ресурс, призначений для передачі якогось конкретного числа підкадрів.

Завдяки механізмам адаптації вдається «вичавити все можливе» з каналу з динамічним якістю зв`язку. Він дозволяє вибрати схему канального кодування і модуляції відповідно до того, якими умовами зв`язку характеризуються мережі LTE. Що це, стане зрозуміло, якщо сказати, що його робота впливає на швидкість трансляції даних, а також на ймовірність виникнення в каналі будь-яких помилок.

Потужність у висхідному каналі та її регулювання

Цей аспект стосується управління рівнем потужності, випромінюваної терміналами, щоб збільшити ємність мережі, підвищити якість зв`язку, зробити зону радіопокриття більше, знизити споживання енергії. Щоб досягти перерахованих цілей механізмами регулювання потужності, прагнуть до максимального збільшення рівня корисного вхідного сигналу з одночасним зниженням радіоперешкод.

Мережі LTE "Білайн" та інших операторів припускають, що сигнали у висхідному каналі залишаються ортогональними, тобто між користувачами однієї стільники не повинно бути взаємних радіоперешкод, принаймні, це стосується ідеальних умов зв`язку. Рівень перешкод, які створюються користувачами сусідніх сот, залежить про того, де знаходиться випромінюючий термінал, тобто від того, як загасає його сигнал на шляху до соте. Мережа LTE "Мегафон" влаштована так само. Правильно буде сказати так: чим ближче термінал знаходиться до сусідньої соте, тим вище буде рівень перешкод, які він в ній створює. Термінали, які знаходяться на більш значній відстані від сусідньої стільники, здатні передавати сигнали більшої потужності в порівнянні з терміналами, що знаходяться з нею в безпосередній близькості.

Завдяки ортогональности сигналів, у висхідному каналі можна мультиплексировать сигнали від терміналів різної потужності в одному каналі на одній і тій же соте. Це означає, що немає необхідності компенсувати сплески рівня сигналу, які виникають через багатопроменевого поширення радіохвиль, а можна використовувати їх з метою збільшення швидкості трансляції даних із застосуванням механізмів адаптації та диспетчеризації каналів зв`язку.

Ретрансляції даних

Майже будь-яка система зв`язку, і LTE мережі в Україні не є винятком, час від часу допускає помилки в процесі пересилання даних, наприклад, через завмирання сигналу, перешкод або шумів. Захист від помилок забезпечується за рахунок методів повторної передачі втрачених або спотворених частин інформації, призначених для гарантії забезпечення високої якості зв`язку. Радіоресурс використовується набагато раціональніше, якщо протокол ретрансляції даних організований ефективно. Щоб максимально повно використовувати радиоинтерфейс високій швидкості, технологія LTE володіє динамічно ефективної дворівневою системою ретрансляції даних, яка реалізує Hybrid ARQ. Він характеризується невеликими накладними витратами, необхідними для забезпечення зворотного зв`язку та повторної посилки даних, доповнений протоколом селективного повтору високого ступеня надійності.

Протоколом HARQ надається приймального пристрою надлишкова інформація, що дає йому можливість коригувати якісь конкретні помилки. Ретрансляція по протоколу HARQ призводить до формування додаткової інформаційної надмірності, яка може знадобитися в тому випадку, коли для усунення помилок виявилося недостатньо повторної передачі. Ретрансляція пакетів, які не пройшли виправлення протоколом HARQ, виробляється з використанням протоколу ARQ. LTE мережі на iPhone працюють відповідно до вищеописаними принципами.

Це рішення дозволяє гарантувати мінімальну затримку трансляції пакетів з малими накладними витратами, а надійність зв`язку при цьому гарантується. Протокол HARQ дозволяє виявити і виправити велику частину помилок, що призводить до досить рідкого використанню протоколу ARQ, так як це пов`язане з чималими накладними витратами, а також з підвищенням часу затримки при трансляції пакетів.

Базова станція є кінцевим вузлом, який підтримує обидва ці протоколу, забезпечуючи тісний зв`язок рівнів двох цих протоколів. У числі різноманітних переваг подібної архітектури можна назвати високу швидкість усунення помилок, які залишилися після роботи HARQ, а також регульований обсяг інформації, переданої за допомогою використання протоколу ARQ.

Радіоінтерфейс LTE володіє високими робочими характеристиками, завдяки його основних компонентів. Гнучкість застосування радіоспектру дозволяє задіяти даний радиоинтерфейс при будь-якому доступному ресурс частот. Технологія LTE передбачає ряд функцій, які забезпечує ефективне застосування стрімко мінливих обставин зв`язку. Залежно від стану каналу, функція диспетчеризації видає кращі ресурси користувачам. Застосування многоантенних технологій призводить до зменшення завмирання сигналу, а за допомогою механізмів адаптації каналу можна задіяти методи кодування і модуляції сигналу, що гарантують в конкретних умовах оптимальну якість зв`язку.