LTE

LTE architektúra2012

Maros Dóra

LTE

3G hálózatok kapacitása végesnek bizonyult

Előfizetői igények nőnek

Fejlesztés szükséges:1. Növelni a meglévő rendszer spektrális

hatékonyságát▪ 3G

2. Nagyobb sávszélességet támogató új rendszer kialakítása

▪ LTE

Fejlődési irányok a 3G után

LTE

Spektrális hatékonyság növelése: Magasabb rendű modulációk

▪ DL: 64QAM, UL: 16QAM Többantennás megoldások

▪ MIMO (Multiple Input Multiple Output) antenna 2 vivőfrekvenciás működés bevezetése

▪ Szomszédos sávok szimultán használata

1. 3G fejlesztése

LTE

Előnyök: Fejlesztések fokozatosan bevezethetők Szoftverfrissítéssel megoldható Új hardver nem feltétlen szükséges Visszafelé kompatibilitás biztosított

Hátrányok: 5 MHz-es sávok adottak

▪ Csatornakiegyenlítés 5MHz felett bonyolult, drága

▪ UMTS csatornák nem összefoghatóak Áramkörkapcsolt szolgáltatások

támogatása

1. 3G fejlesztése - 2

LTE

Új elvek alkalmazhatóak: Korszerű rádiós technológia Tisztán IP hálózati kialakítás

Előnyök: 3G-hez képest szélesebb frekvenciasávok

használata Rugalmas sávkiosztás lehetősége Csatornaviszonyokhoz adaptív

alkalmazkodás Hozzáférési sebességek rugalmas

változtatása MIMO könnyebb megvalósítása OFDM-mel

2. Új rendszer kialakítása

LTE

Hátrányok: Teljesen új hálózat kialakítása Kétmódú készülékek szükségessége a

teljes lefedettség hiánya esetén Visszafelé kompatibilitás nincs

Új rendszer: LTE – Long Term Evolution

Vetálytárs (volt): Wimax

2. Új rendszer kialakítása - 2

LTE

Megnövelt fel- és letöltési maximális sebességek

Legalább DL:100Mbps, UL: 50Mbps Skálázható csatorna sávszélességek: 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz Rel. 6 HSPA-hoz képest relatív javulás Spektrális hatékonyságban: UL:2-3x, DL:3-

4x Cella széli átviteli sebességben:UL,DL:2-3x FDD és TDD támogatásaTeljesen IP alapú hálózat 5ms alatti késleltetés kis IP csomagokra

Az LTE rádiós követelményei

LTE

5 MHz-en legalább 200 előfizető kiszolgálása

A maximális teljesítmény alacsony mobilitásra optimalizált: 0-15 km/h sebességig

Nagyobb sebességek – korlátozások:▪ 120 km/h-ig nagy teljesítmény, 350 km/h-ig

kapcsolat működőképessége Együttműködés korábbi hálózatokkal Handover 3G és GSM felé (300, 500 ms

késleltetéssel) Lefedettség: 5km-en belül javulás, 30km-en belül

korlátozott Multicast/broadcast támogatása

(MBMS)

Az LTE rádiós követelményei - 2

LTE

LTE átviteli sebességekMaximális letöltési sebességek (FDD,TDD, 1-es típusú keret, 64QAM)

Antenna konfiguráció

SISO 2x2MIMO 4x4MIMO

Max. sebesség (Mbps)

100 172.8 326.4

Maximális feltöltési sebességek (FDD/TDD, 1-es típusú keret, SISO)

Moduláció típus QPSK 16QAM 64QAM

Max. sebesség (Mbps)

50 57.6 86.4Maximális letöltési sebességek (TDD, 2-es típusú keret, 64QAM)

Antenna konfiguráció

SISO 2x2MIMO 4x4MIMO

Max. sebesség (Mbps)

100 142 270

Maximális feltöltési sebességek (TDD, 2-es típusú keret, 64QAM)

Antenna konfiguráció

SISO 2x2MIMO 4x4MIMO

Max. sebesség (Mbps)

50 62.7 62.7

LTE

Többantennás megoldások támogatása

MIMO – max. 4x4 Csatornaviszonyokhoz

alkalmazkodás: Adaptív moduláció és csatornakódolás Gyors második rétegbeli újraküldés OFDM alapú rádiós interfész DL:OFDMA

(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)

UL:Single Carrier-FDMA, más néven DFTS-OFDM(Discrete Fourier Transform Spread OFDM)

LTE további jellemzői

LTE

UMTS specifikációk fejlődése

Release Véglegesítés Főbb UMTS jellemzők

Rel-99 March 2000 Basic 3.84 Mcps W-CDMA (FDD & TDD)

Rel-4 March 2001 1.28 MMps TDD (aka TD-SCDMA)

Rel-5 June 2002 HSDPA

Rel-6 March 2005 HSUPA (E-DCH)

Rel-7 December 2007 HSPA+ (64QAM downlink, MIMO, 16QAM uplink)LTE and SAE feasibility study

Rel-8 December 2008 LTE work item – OFDMA/SC-FDMA air interface SAE work item – new IP core networkFurther HSPA improvements

Release 99, 4- 3G (WCDMA) és fejlesztések Release 7-10: LTE (3,75G vagy 3,9G), LTE Advanced (a

valódi 4G)

3GPP release-k

Rel 9-10!

LTE

3GPP terminológa szerint : 3. generációs rendszerek továbbfejlesztett

változatát tekinthetjük az LTE-nek A Release 8 szabvány szerinti mobil

rendszerek számítanak az első LTE rendszereknek

Az ITU-R szerint megfogalmazott 4. generációs követelményeket a Release 8 szerinti LTE nem teljesíti

A valóban 4. generációs rendszernek csak az LTE-Advanced tekinthető (Rel.10)

3.75G - 3.9G - 4G

LTE

System Architecture Evolution (SAE) 3GPP projekt Célja: teljesen IP alapú, tisztán

csomagkapcsolt gerinchálózat kialakítása:▪ Evolved Packet Core (EPC)

Az EPC és az evolved RAN = Evolved Packet System (EPS).

▪ RAN = E-UTRA és az E-UTRAN együtt LTE, E-UTRA, E-UTRAN, SAE, EPC és

EPS mind utalhatnak a rendszerre, a helyes elnevezés az EPS lenne, de leggyakrabban az LTE használatos

SAE és a hálózat

LTE

Fejlődés – egyszerűsödés:

Csomagkapcsolt működésre optimalizált

Válaszidő és késleltetés csökkenése

SAE architektúra

LTE

EPC

Fő részei: maghálózat (Core Network, CN):

▪ EPC (Evolved Packet Core) rádiós hozzáférési hálózat

▪ Radio Access Network, RAN:E-UTRAN

Interfészek: X2: új! eNodeB között

▪ ~3G Iur (RNC-k közti interfész)▪ HSPA+-ban van hasonló

S1: RAN – EPC közöttiMobility Management Entity (MME), Serving GateWay (S-GW)

SAE architektúra

LTE

SAE architektúra

LTE

Fejlett csomagkapcsolt maghálózat funkcionális architektúra egy csomópont végez minden maghálózati

funkciót fizikailag viszont nem egy berendezés HSS megmaradt a korábbi

hálózatokból: HLR és AuC funkciók Interfészek: EPC-HSS között: S6 EPC-Internet között: SGi

EPC

LTE

Nincs makro diverzitás Komplex megoldás lenne, nincs akkora

nyereség Nincs soft handover Csomagalapú átvitellel megoldható az

adatvesztés elkerülése

E-UTRAN változások

LTE

Radiós erőforrás menedzsment, handover

IP fejléc tömörítés és titkosítás UE csatlakozásakor MME kiválasztása Felhasználói adatok továbbítása az S-

GW felé Paging és broadcast üzenetek

ütemezése és átvitele Mérések és kiértékelésük Mobilitás támogatására Ütemezéshez ETWS üzenetek ütemezése és átvitele Earthquake and Tsunami Warning System

eNB funkciók

LTE

Fő vezérlő elem (több is lehet!) UE első csatlakozásakor Autentikációs és biztonsági feladatok Alvó módú UE Keresés és paging Handoverkor együttműködés más

MME-vel Egy UE egy időben csak egy MME-hez

kapcsolódik

MME funkciók:

LTE

Csomagtovábbítás EPC és eNB között (felh. síkon végpont) S1-U interfész felhasználó IP forgalmának alagutazása az

eNB felé▪ alagút: UE helyétől függő új IP fejléc

Mobilitás menedzsment és handover funkciók

Paging végzése

S-GW funkciók

LTE

interfész más csomagkapcsolt hálózatok felé

UE IP címének allokációja Felhasználónkénti csomagszűrés Törvényes lehallgatás LTE mobilitás fix pontja: Egy kapcsolat esetén a forgalom azonos P-

GW-en keresztül megy, mozgástól függetlenül

Mobilitás nyoma a CN-ben:▪ cellaváltásoknál új alagút felépítése

P-GW funkciók

LTE

Két megvalósítás:1. Alapértelmezés szerint: a honos

hálózat P-GW-én keresztül2. Idegen hálózathoz kapcsolódással

SAE Roaming

LTE

UE az idegen hálózathoz kapcsolódik Kommunikáció az idegen hálózati S-

GW és honos P-GW között lévő az S8 interfészen

Honos EPC jelöli ki az IP címet a UE számára

Az idegen hálózati S-GW a honos P-GW felé továbbítja a UE csomagjait

Honos P-GW-nél kerül ki a forgalom az EPC-ből

Hátrány: nem eléggé hatékony a mobil IP háromszög routing problémája

miatt Előny: a szolgáltató a saját

előfizetőjét kontrollálhatja

Roaming, honos hálózattal

LTE

UE az idegen hálózathoz kapcsolódik Idegen EPC jelöli ki az IP címet a UE

számára Előny: UE közvetlenül az idegen hálózaton

keresztül kapcsolódik az Internethez Hátrány: nagyobb bizalom szükséges a szolgáltatók

között Nincs közvetlen kontrollálhatóság a

roamingoló UE felett

Roaming, idegen hálózattal

LTE

LTE - Rádiós interfész2012

Maros Dóra

LTE

LTE követelmény: FDD és TDD támogatása

Maximálisan használható 20 MHz-es sáv

Helyi frekvenciagazdálkodás miatt egységes sáv(ok) nem alakíthatók ki

FDD/TDD adottság sokszor nem választható

Páros és páratlan frekvenciasávok kerültek kijelölésre ezek száma folyamatosan nő

2G és 3G-vel ellentétben itt a UE sok sávban kell tudni működni

Kétmódú, FDD/TDD készülékek globális roaminghoz szükséges

Duplexitás

LTE

FDD - páros spektrumon, klasszikus megoldás

3G rendszerek többsége is FDD, ezek mintájára

Hátrány:▪ Spektrumkihasználtság rosszabb:

▪ Pl. asszimmetrikus forgalom esetén (UL/DL)

TDD: Kínában már a 3G is TDD Előny:

▪ Nincs szükség páros spektrumra▪ Spektrumkihasználtság kedvezőbb

FDD-TDD

LTE

2009-ben:

15 FDD 8 TDD

Támogatott frekvencia sávok

LTE

Többféle sávszélesség helyi frekvencia gazdálkodásokhoz

illeszkedjen 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz-es sávok

Követelmény: Különböző sávszélesség adottságokhoz

alkalmazkodási képesség Rendszer működésére minimális kihatással

Frekvencia sávok

LTE

DL irány: OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple

Access ▪ OFDM (Orthogonal Frequency Division

Multiplexing) egy változata

UL irány: SC-FDMA Single-Carrier Frequency Division Multiple

Access▪ Másik neve:▪ DFT-SOFDM – Discrete Fourier Transform Spread

OFDM

Többszörös hozzáférés

LTE

Digitális többvivős moduláció Wlan rendszerekben már régebben Cellás rendszerekben újdonság Nagy számú, kis védőtávolságú vivők

egymás mellett Párhuzamos átvitel ezeken a csatornákon Csatornákra nézve QPSK, 16, 64 QAM

modulációk▪ alacsony szimbólumsebesség

Szimbólumok között időtartományban védősávok▪ Szimbólumáthallás elkerülésére

DL többszörös hozzáférés

LTE

1980-ban már a GSM kapcsán is felmerült az alkalmazása

Nagyszámú FFT számítás az alapja Túl sok energiát emésztett volna fel 1998-ban az UMTS esetén is felmerült A technológia még ekkor sem volt alkalmas Az LTE megszületéskor a DSP alapú

számítási költségek nagyon lecsökkentek ezért került implementálásra

OFDM története

LTE

OFDM előnyei: Széles csatornák használatára hangolható Fading ellen sokkal jobban védett Csatornakiegyenlítés egyszerűbb

▪ Mivel az OFDM jelek a frekv. tartományban reprezentáltak az időtartomány helyett

Lehetőség van teljes rezisztanciára a többutas terjedés hatásai ellen

MIMO-hoz alkalmasabb:▪ A frekvenciatartománybeli jelkezeléssel

megfelelően előkódolható a jel a többutas terjedésű csatorna számára.

OFDM vs CDMA

LTE

OFDM hátrányai: A segédvivők közelsége miatt vivők közötti

áthallás könnyen előfordulhat:▪ Frekvencia és fázis érzékenység▪ Doppler-szórásra érzékeny

Az OFDM magas átlagenergiával dolgozik▪ Sok energia szükséges a jelek kisugárzásához▪ Uplink irányban ezért van más moduláció

OFDM vs CDMA

LTE

OFDM hátrányai: Cellahatárok menti interferencia

elkerülésére a frekvencia használat megfelelő szabályozása szükséges:▪ Cellák közepén nagy kis energiával azonos

frekvenciák▪ Cella határokon különböző frekvenciák nagy

energiával

OFDM vs CDMA

LTE

OFDM – CDMA összehasonlítás

LTE

Egymáshoz közeli vivőfrekvenciákon párhuzamos adatátvitel

Vivőfrekvenciák ortogonálisak Csatornák között nincs áthallás

DL - OFDM

LTE

segédvivők (alvivők) távolsága Δf=15 kHz

▪ Δf=7.5 kHz is lehet eMBMS esetén (műsorszórás)

Ennek reciproka a szimbólumidő T=66.67 μs Időtartományban: négyszög Frekvenciatartományban: six

DL - OFDM

LTE

A segédvivők közötti frekvencia és a szimbólumidő egymásnak reciproka

vivőfrekvenciák ortogonálisak, nincs csatornák közötti áthallás

frekvenciatartomány

DL - OFDM

LTE

ISI – inter symbol interference Szimbólumközi áthallás Időtartomány segédvivők között is áthallást okoz ortogonalitás elvész: szimbólumidőnyi

integrálásban nem egész számú periódus lesz az egyik jelből!

Különböző terjedési utakon érkezett jelek okozzák:

OFDM ISI

LTE

Többutas terjedés ellen rezisztancia: Védőidők az adási távolság függvényében Védőidő alatt a CP (Cyclic prefix) kerül

kisugárzásra, ami a szimbólum végénekmásolata

OFDM védőidő, CP

LTE

Normál CP: 1.4km távolságig megfelelő

Kiterjesztett CP: 10 km-ig (ekkor kevesebb szimbólum fér el 0..5,

vagy 0,1,2)

CP paraméterei

LTE

5 MHz teljes sávszélesség, n db segédvivő

Segédvivők színekkel jelölve, frekv tartományban

Védőidők feketével időtartományban

OFDM példa

LTE

Az OFDM-ben keskeny sávot használ egy UE

Fading vagy interferencia elnyomhatja a jelet

OFDMA TDMA jelleg bevitele a vivők kiosztásába UE időben több vivőn forgalmaznak

OFDM - OFDMA

LTE

alap időegység a mintavételi idő Ts=1/(15000x2048) másodperc minden időegység ennek többszöröse FDD módú keretszerkezet: 10 ms keret, 10 db 1 ms alkeret 20 db 0.5 ms időrés (timeslot)

Keretszerkezet

LTE

Fizikai erőforrás blokk - Physical Resource Block – PRB

12 segédvivő (12*15 kHz = 180 kHz) egy időrésben (0.5 ms) Ez a legkisebb egység, ami egy

előfizetőnek adható 12*6= vagy 12*7 szimbólum

időrésenként (eMBMS esetén 24 segédvivő, 7.5

kHz-es távolságban)

Rádiós erőforrás egység

LTE

Fizikai szintű pillanatnyi átviteli sebességek egy PRB-vel:

Egy bázisállomás min6 PRB-t kell tudnia:

6*180kHz=1.08 MHz Védősávokkal 1.4MHz

Átviteli sebességek

Átviteli sebesség konfigurációk

Csatorna sávszélesség védősávval (MHz)

1,4 3 5 10 15 20

Átviteli sávszélesség védősáv nélkül 1,08 2,7 4,5 9 13,5 18

RB-k száma 6 15 25 50 75 100

LTE

Magas PAR (peak-to-average ratio) miatt az OFDMA, drágább

Nem alkalmas a kézi készülékeknél, akku miatt

Bázisállomásban jó SC-FDMA PAR értéke kedvezőbb, és

olcsóbb is Egyvivős átviteli rendszerekre jellemzően Előnyök: a többutas terjedésre továbbra is

érzéketlen sávszélességben rugalmas

UL: SC-FDMA

LTE

Jel előállítása:1. Az időtartományi szimbólumok DFT-

vel frekvenciatartományba transzformálása

2. A frekvenciatartományban a megfelelő frekvenciára helyezés

3. IFFT-vel visszatranszformálás4. CP hozzáillesztése

SC-FDMA

LTE

OFDMA SC-FDMA összehas.

LTE

4 segédvivő (M), 2 szimbólum idő, QPSK

OFDMA SC-FDMA összehas.

LTE

SC-FDMA jel

LTE

LTE - Antennák2012

Maros Dóra

LTE

Többutas terjedés saját hasznunkra fordítása

Elsősorban beltéren, vagy városi környezetben

Antennák száma Adónál 1,2,4 Vevőnél 2,(4) Megfelelő jelfeldolgozás szükséges Adás előtt Vétel után Antennák elhelyezése minél

messzebb: Kicsi mobil terminálokon problémás

Több antennás átviteli módok

LTE

Nyalábformálás, (beamsteering) Lefedettség növelése adott irányban Az adott irányban nagyobb

antennaerősítés Diverziti jobb jel-zaj viszony elérése, lefedettség

növelése Adó- és vevőoldali több antennán adott/vett jelek megfelelő

kombinálásával Interferencia törlés több vevő antennával bizonyos irányból

jövő jelek törlése (kb. a nyalábformálás fordítottja)

Alkalmazási lehetőségek

LTE

Térbeli multiplexálás: SDMA Adatátviteli sebesség többszörözése Azonos időben Azonos frekvencián Több adóantennán

▪ párhuzamosan különböző adatfolyamok továbbítása

Többfelhasználós MU-MIMO Több előfizető kiszolgálása SDMA-val (ld.

előbb) párhuzamos adatfolyamok más

előfizetőhöz tartoznak

Alkalmazási lehetőségek

LTE

A realizálható előnyök függenek: Az adó és vevő antennák számától: több -

jobb Jel-zaj viszonytól: magas SNR a kedvező Az adó képességeitől

▪ Mennyire és milyen gyorsan tud a változó körülményekhez alkalmazkodni

Az adó-vevő közvetlen rálátása minimális legyen▪ Ekkor a terjedési utak korreláltsága alacsony

Ideális eset: Az utak teljesen korrelálatlanak Ekkor pl. 2x2 esetben az átviteli sebesség

2x-es

Jellemzők

LTE

Single - Multiple Input - Output

Rádiócsatorna hozzáférés módok

Egy adó Több adó

Egy vevő

Több vevő

LTE

Klasszikus rádiózási mód Egy adóval egy vevővel

A többantennás átviteli módok előnyei ehhez hasonlíthatóak

SISO

LTE

Egy adó, több vevő Vevő oldali diverziti valósítható meg Alacsony SNR esetén jobb vételi

lehetőséget lehet teremteni vele Lefedettség növelésére használható Cellahatárokon Adatsebességre nincs hatással Csak egy adatfolyam kerül

kisugárzásra

SIMO

LTE

Több adó, egy vevő Adás diverziti valósítható meg Fading ellen hatásos Alacsony SNR esetén növelhető a

hatékonyság több antennán Ugyanazon adatok továbbítása De más kódolással

▪ így a vevő azonosítani tudja az adókat Adatsebességet nem növeli Ugyanaz az adatsebesség

kisebb energiával továbbítható

MISO

LTE

Több adó, egy vevő Visszacsatolással kiegészítve: A vevő a vételi viszonyokat az adónak

visszaküldi Az adó optimális

▪ Sugárzott teljesítmény▪ Fázisviszonyokat állít be

Adaptív működés Korrekciók akár több százszor

másodpercenként

MISO

LTE

Több adó, több vevő Legjobban kihasználható a többutas

terjedés A spektrális kapacitás kibővíthető

vele

Vevők száma ≥ adatfolyamok száma Adók száma ≥ adatfolyamok szám Több különböző adatfolyamot

(streamet) továbbít egy frekvencián egy időben több adóval

MIMO

LTE

Mindegyik antenna által kisugárzott jel

Azonosítható a vevő oldalán, honnan érkezett

Azonosítás rendszerint ortogonális pilot jelekkel

Vevő oldalon az adatfolyamok visszaállíthatók:

Az egyes utak korrelációja alacsony Jel-zaj viszony kellően magas Single User MIMO Adatátviteli sebesség növelése Multi User MIMO Több felhasználó kiszolgálása

MIMO

LTE

MIMO legegyszerűbb esete (Direct mapping)

Adó oldalon: Egy adatfolyam - egy antennán kerül

kisugárzásra Vevő oldalon: Két adatfolyam vegyesen érkezik Megfelelő algoritmussal

szétválaszthatók

MIMO direkt adás

LTE

Speciális kód (precode) használata: Adó oldal: Különböző adatfolyamok Antennákon keveredve kerülnek

kisugárzásra Vevő oldal: Adatfolyamok szétválaszthatók

MIMO precoding

LTE

Átvitel a csatorna jellemzőire optimalizálható

Bonyolultabb rendszer Nagyobb kapacitás Szükség van a csatorna pillanatnyi

paramétereire is visszacsatolással a vevő felől

Referencia jelek segítségével FDD esetén UL-en külön továbbítja a vevő TDD esetén (UL, DL frekvencia közös)

▪ az adó a vett jel mért paraméterei alapján automatikusan alkalmazza a megfelelő korrekciót

MIMO precoding jellemzői

LTE

Terminológiák Kódszó:

▪ Felhasználói adat, mielőtt az átviteli formázás megtörténne

▪ Egy vagy két kódszó használatos Réteg (layer):

▪ Adatfolyamot jelenti▪ A térbeli multiplexeléshez legalább 2 réteg

használandó▪ Jelölés: rétegek száma: ν, görög nü

Prekódolás (precoding) Módosítja a jelet kisugárzás előtt Ezzel valósul meg a diverziti,

nyalábformálás, térbeli multiplexelés

MIMO és az LTE

LTE

DL UL irányban különböző többantennás működési módok definiáltak

DL irányban 7 féle UL irányban 3 féle

LTE többantennás módok

LTE

7 féle működési mód:

LTE DL többantennás módok

1. Single-antenna port; port 0 SIMO

2. Transmit diversity MISO

3.Open-loop spatial multiplexing

MIMO, no precoding

4.Closed-loop spatial multiplexing

MIMO, precoding

5. Multi-user MIMOMIMO, separate UE

6.Closed-loop Rank = 1 precoding

MISO, beamsteering

7. Single-antenna port; port 5MISO, beamsteering

LTE

SIMO Vevő oldali diverziti megvalósításához Gyenge SNR viszonyok között

előnyös Jó vételi viszonyok esetén nincs

számottevő előnye

1. Single-antenna port

LTE

MISO Nyílt hurkú adó oldali diverziti Direkt adásos (precoding nélküli) mód CW0 és CW1 kódszavak azonosak 2, vagy 4 antenna támogatott (UMTS Rel.99 –ben rögzített eljárással

egyező) (UMTS Rel.99-ben lévő a zárt hurkú,

összetettebb eljárás nem került bele az LTE-be, helyette a MIMO megoldások vannak)

2. Transmit diversity

LTE

2, vagy 4 antenna támogatott Tipikusan 2 csatornás UE esetén 4x2, 2x2-es konfiguráció a tipikus

▪ 4x4 is definiált, de 4 vevős UE nincs még SU-MIMO CW0 és CW1 kódszavak különbözők Nyílt hurkú, mert nincs előkódolás De az adás optimalizására használatos két

paraméter▪ UE-preferred rank▪ Channel Quality Indicator (CQI)

3. Open-loop spatial multiplexing

LTE

MIMO, előkódolással Antennákon minden kódszóra lehet

különböző érték a Teljesítményre Fázisra Zárt hurkú visszacsatolás Csatorna jellemzőinek mérésére szüksége

van FDD esetén a vevő küldi az uplinken

▪ Channel Quality Indicator (CQI)▪ precoding matrix indicator (PMI)▪ Rank indicator (RI) (egész sávra vonatkozik)

4. Closed-loop sp. multiplexing

LTE

precoding matrix indicator (PMI) Kódgyűjtemény alapján küld visszajelzést

▪ előre letárolt értékeknek az indexét▪ 2x2 - 3 féle kód▪ 4x2 - 16 féle kód

Nem annyira pontos, de hatékony Egyszerűsíti a csatorna minőségének

értékelését UL is kisebb a visszajelzés forgalma Visszajelzések: több száz per sec

4. Closed-loop sp. multiplexing

LTE

Speciális esete a 3-as típusnak SDMA megvalósítása Több UE kiszolgálása

▪ Kódszavak itt UE-ket azonosítanak

Zárt hurkú MIMO (4. típus) nem használható

5. Multi-user MIMO

LTE

Előkódolt, MISO, nyalábformálás Megfelelő irányba fókuszálja a

kisugárzott teljesítményt Főként 4 antenna esetén alkalmazott 4. típus esetén, ha a reportban RI=1,

ez a típus lép életbe Felhasználónkénti nyalábformálásra

lehetőség van: Resource blokkonként állítható az

amplitúdó és fázis Hatékony

6. Closed-loop Rank=1

LTE

MISO, nyalábformálás 6. típushoz hasonló Egy 5. antenna (port 5) is sugároz a

UE felé UE specifikus referencia jelet is visz

7. Single-antenna port, port 5

LTE

3 típus:

1. típus = DL 1.típus

LTE UL többantennás módok

1. Vevőoldali diverziti az eNB-ben

2.SU-MIMO (egy felhasználós MIMO)

3.MU-MIMO (több felhasználós MIMO)

LTE

Rel.8-ban még nem specifikálták teljesen

UE: 2 adóra van szükség, ez probléma:

Méretben Árban Energiában

UL irányban a sebesség növelése nem fontos

Ezek miatt e típus fejlesztése nem indokolt

2. SU-MIMO

LTE

Több UE kiszolgálása (SDMA) Egy UE sebessége nem nő Cellakapacitás nő 2 UE egymástól távolabb van: Előnyös, mert kis korreláció a csatornák

között Hátrányos, mert nem keverhetőek a

kisugárzott jelek a két antennán▪ Két UE nem kommunikál

egymással

3. MU-MIMO

LTE

CoMP – Cooperative multipoint, vagy Network MIMO

Adók különböző cellákban Antennák más helyeken – nagy távolság eNB-k szinkronizálása fontos MU MIMO-hoz hasonlít

Nem teljesen specifikált, LTE Advancedben van!

Kooperatív MIMO

LTE

Antenna konfigurációtól, Modulációk típusától függ

Antennák 1..4-ig

Maximális sebességek

LTE

LTE- protokollok2012

Maros Dóra

LTE

LTE rádiós interfész protokoll rétegei: 3 réteg

Protokoll szerkezet

LTE

Fizikai csatornák modulációja és demodulációja

Frekvencia és idő szinkronizáció MIMO antenna jelfeldolgozás Adás diverziti Nyalábformálás Rádiófrekvenciás jelfeldolgozás Rádiós csatorna karakterisztika

mérések Eredmények továbbítása felsőbb rétegek

felé Fizikai csatornák

teljesítményszabályzása

Fizikai réteg feladatai

LTE

Hibadetektálás a szállítási (transport) csatornákon

Forward error correction (FEC) Szállítási csatornák

kódolása/dekódolása Hybrid Automatic Repeat Request

(HARQ) adatintegritás ellenőrzés Szállítási csatornák sebesség

igazítása és enkapszulációja a fizikai csatornákba

Fizikai réteg feladatai 2

LTE

1. Fizikai csatornák és modulálás2. Multiplexálás és csatornakódolás3. Fizikai rétegbeli eljárások4. Fizikai rétegbeli mérések5. Rádiós erőforrás menedzsment

Fizikai réteg alegységei

LTE

A fizikai jeleket a legalsó réteg állítja elő

Rendszer szinkronizáció Cellaazonosítás Rádiós csatorna karakterisztikájának

becslése Adatszállítás: Vezérlés ütemezés felhasználói adatok továbbítása

Fizikai csatornák és modulálás

LTE

DL UL irányban van RS (reference signal ) – pilot jel

A vevő használja a csatorna paraméterek megállapítására:▪ Amplitudó hibák▪ Fázis hibák

▪ Ami a továbbított jel hibáiból és hozzáadódó zajokból tevődik össze

▪ RS nélkül főként a magasszintű modulációknál a demoduláció képtelenség lenne, itt kis fázis és amplitúdó hiba is sokat számit

Fizikai csatornák és moduláció

LTE

Fizikai csatorna pilot jelei

LTE

Fizikai jelek fizikai csatornákat alkotnak, melyek az adatokat és a jelzéseket továbbítják

Fizikai csatornák

LTE

Keretek felépítése: Fizikai réteg támogatja a két

többszörös hozzáférési technikát: OFDMA SC-FDMA Emelett mindezt páros és páratlan UL

DL sávban is! FDD TDD Az UL DL más hozzáférési módot

használ a keret struktúra közös

Keretszerkezet

LTE

Szabvány definiálja a Keretet Az időrést (timeslot) Szimbólumokat az időtartományban

Két keretstruktúra alkalmazható: Type 1, FDD-hez Type 2, TDD-hez

Keretszerkezet

LTE

10 ms hosszú 10 alkeret 1 alkeretben 2 slot

Type 1 FDD keret

LTE

5 ms periodicitású 2 db 5ms-os félkeret 10 ms hosszig A félkeret tartalmaz 5 alkeretet (1

ms) Az alkeret lehet UL vagy DL átvitel Speciális alkeret: DL UL pilot timeslottal

köztük védőidővel.

Type 2 TDD keret

LTE

Az alkeretek közül UL DL-hoz rendelésnek 7 konfigurációja lehetséges:

Alkeret 0 és 5 mindig DL Alkeret 1 speciális Alkeret 2 mindig UL A többi alkeret a keretkonfigurációtól függ 5ms-os konfig esetén a 6. alkeret is

speciális 10 ms-os esetén általános

Type 2 TDD keret

LTE

Az alkeret 2 slotot tartalmaz, 0.5 ms Az OFDMA, SC-FDMA védett a

többutas késleltetéstől A hosszú OFDMA szimbólumok közötti

védőidők meggátolják a szimbólumok közötti áthallást▪ Ha a védőidő hosszabb mint a csatorna

késleltetése▪ ha az OFDM szimbólum végét az elejére

másoljuk Kiküszöbölhető az ISI.

Type 2 TDD keret

LTE

Egy alkereten belül 2 slot van Egy sloton belül 7 symbol lehet az

alábbi példa alapján (2048+144)*6+2048+160=15360*Ts

OFDM Symbol

LTE

Normal: 1.4km távolságig megfelelő Extended: 10 km-ig

Ciklikus prefix

LTE

Erőforrás elem (RU) a legkisebb egység a fizikai rétegben

Egy szimbólumot foglal el időtartományban Egy segédvivőt a frekvenciatartományban

Erőforrás elem és blokk

LTE

RB legkisebb egység ami az átvitelkor lefoglalható, pl. egy UE forgalmának

1 RB: 0.5 ms (1 slot) időt foglal el

időtartományban 180 kHz-et frekvencia tartományban

RB – Resource Block

LTE

RB-ban a segédvivők és a szimbólumok száma az alábbiaktól függ:

Segédvivők távolságától CP hosszától

RB paraméterei

LTE

Fizikai csatornák modulációi

LTE

Szállítási csatornák

LTE

Fizikai és szállítási csatornák összerendelése

Csatornák összerendelése

LTE

Minőségi paraméterek: Késleltetés Átviteli sebesség LTE-ben mind a kettőt a fizikai

rétegben mérik és kezelik Cél: mindkettő előnyös értéken

tartása

HARQ - Hybrid Automatic Repeat Request

AMC – Adaptive Modulation and Coding

Együtt működve rendkívül adaptív lesz!

Csatorna minőség kezelése

LTE

Két végpont között figyeli az adatok átvitelének megbízhatóságát

Azonosítja a hibákat, és újra küldést kezdeményez a forrás felől

LTE-ben Type-II HARQ protocols (HSPA,HSPA+ is ilyet használ)

HARQ

LTE

Link alkalmazkodóképességét valósítja meg

Átviteli sebességet növelje Fadinges csatornában A csatorna minőségének

függvényében felhasználónként képes állítani a moduláció típusát

Jó minőségű csatorna: magasabb szintű moduláció Alacsonyabb szintű csatorna kódolás és fordítva….

AMC

LTE

4G rendszerek LTE-Adv2012

Maros Dóra

LTE

4G rendszerek megvalósítása: ITU-R International Telecommunications Union -

Radiocommunications sector Felhívás 4G szabványok fejlesztésére: IMT – Advanced rendszerekre Követelmények kiadása

▪ 2011 februárban fejeződött be a rádiós interfész specifikálása

Legesélyesebb LTE Advanced - 3GPP▪ WIMAX is vetélytárs (volt)

LTE, IMT

LTE

Maximálisan elérhető spektrum hatékonyság

(DL: 30 bps/Hz; UL 15 bps/Hz)

Spektrum rugalmas kihasználása: Skálázható sávszélesség Több különálló sáv aggregációja Erre az OFDM kifejezetten alkalmas

A rádiós átvitel alapja továbbra is: DL: OFDMA, UL: SC-FDMA

IMT Advanced követelményei

LTE

100 Mbps magas mobilitás mellett 1 Gbps alacsony mobilitás mellett Globális roaming lehetősége Működő rádiós hozzáférési

hálózatokkal együttműködés Szolgáltatások kompatibilitása IMT és

fix hálózatokon

IMT Advanced követelményei 2

LTE

CA - Carrier Aggregation Nagyon nagy sebességhez - nagy

sávszélesség szükséges ~ n x 20MHz Szabad frekvenciasávok korlátozottak Több különálló sáv(ok)ból állítható csak

össze▪ Folytonos, egymás melletti sávok▪ Különálló sávok összefogása

Készülékek számára ez még jelentős tecnhikai kihívás▪ Nagy sávszélességben adott sávokat használva

képes legyen kommunikálni

Vivő aggregáció

LTE

LTE Release 10 (LTE‐Advanced) A 4G-re adott maximális spektrális

hatékonyság követelményét már az LTE is teljesítette részben:

DL: 15 bps/Hz (300Mbps/20MHz) OK UL: 3.75 bps/Hz KEVÉS ITU szerint 6.75 bps/Hz a minimum.

3GPP LTE Advanced

LTE

UL DL moduláció ugyanaz, mint LTE Kompatibilitás visszafelé Rendelkezésre álló sávszélesség

kapott kiterjesztést: 1.4, 3, 5, 10, 15 és 20 MHz sávok

támogatása marad N*20MHz sávok aggregálása lehetséges

▪ Maximum 100 MHz-ig▪ UE és eNB max ekkora sávszélességben kell

tudni forgalmazni Az aggregálás 20 MHz-es alapegységekre

vonatkozik▪ Vivő aggregáció: folytonos és nem folytonos

esetben

LTE

Allokált sávok az E-UTRA számára: 450−470 MHz 698−862 MHz 790−862 MHz 2.3−2.4 GHz 3.4−4.2 GHz 4.4-4.99 GHz

E-UTRA sávok

LTE

3 típus:A. Egy sávon belül folytonos tartománybanB. Egy sávon belül, de nem folytonos

tartományban, hanem két vagy több, egymástól adott távolságban lévő csatornákon.

C. Több sávon belül, ekkor nyilvánvalóan nem folytonosan.

D. E. F. Vizsgálati stádiumban Max. 5 20 MHz-es vivő aggregálása Technikailag jelenleg 2-3 x 20 MHz

aggregáció lehetséges

Csatorna aggregáció

LTE

Aggregáció esetén: 1 20 MHz-es fővivő (elsődleges

komponens) Többi másodlagos vivő

Elsődleges komponens vivő konfiguráció:

Terminálfüggő több tényező határozza meg, hálózat

alakítja ki:▪ Egyes vivők terheltsége ▪ csatorna minőségi paraméterei alapján

Csatorna aggregáció 2.

LTE

8x8 MIMO alkalmazások vizsgálata eNB esetén használható inkább

▪ Kérdéses az előnyök és a költségek aránya▪ Antennák per szektorok száma is kérdéses:▪ 8 antenna helyett lehet kifizetődőbb 2 szektor 4-

4 antennával Kooperatív MIMO Több bázisállomás jelenti a több antennát

adó oldalon Csak DL

MIMO fejlesztések

LTE

~Repeaterek új generációja Lefedettséget növeli, de kapacitást nem Új generációs eszközök Dekódolják az információt és csak a

szükséges csatornákat továbbítják Interferencia minimális lehet Több lépéses jelismétlés is lehetséges.

In-channel relay

LTE

Cellahatáron fellépő interferencia Koordinációja Eliminálása „Ön-optimalizáló hálózat” Femtocellák

További fejlesztési lehetőségek