Особенности организации физических каналов радиоинтерфейса LTE FDD
Часть 1
выполнила студентка группы 719М
Панарина А.А.

Список аббревиатур
FDD – частотный разнос входящего и исходящего канала

TDD – временной разнос входящего и исходящего канала

Downlink – передача по направлению «вниз»

Uplink – передача по направлению «вверх»

OFDM – мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов

SC-FDMA – мультиплексироване с частотным разнесением с передачей на одной несущей

Cell ID – идентификационный номер ячейки БС

P-SS – первичный синхросигнал (Downlink)

S-SS – вторичный синхросигнал (Downlink)

PBCH – широковещательный канал (Downlink)

PDSCH – общий канал (Downlink)

PDCCH – канал управления (Downlink)

PCFICH – канал формата управления (Downlink)


1. Введение
Аннотация
Технология LTE является эволюционным развитием очень успешных технологий сотовой связи второго (GSP, GPRS, EDGE) и третьего (UMTS, HSPA, HSPA+) поколений. Основными особенностями LTE, по сравнению с технологиями предыдущих поколений, являются:

  • ориентация на высокоскоростную пакетную передачу данных; 

  • ориентация на интеграцию с IP-сетями; 

  • обеспечение качества передачи трафика видео и голоса;

  • усовершенствованные механизмы обеспечения информационной безопасности;

  • повышенная спектральная эффективность, гибкость в использовании частотного ресурса (работа в частотах от 400 МГц до 6 ГГц и в полосе от 1,4 МГц до 80 МГц, частотное и временное дуплексирование).

По сравнению с технологиями третьего поколения, LTE обеспечивает высокоскоростную (пиковые скорости до 150 Мбит/с в LTE и больше 1 Гбит/c в LTE-Advanced) передачу данных и низкие задержки при передаче данных реального времени, таких как видеопотоки. Кроме этого, в LTE упрощена архитектура сети и усовершенствованы механизмы обеспечения информационной безопасности.

LTE обеспечивает гарантированное качество предоставления услуг, большую спектральную эффективность при обслуживании большого количества абонентов. Важным отличием является то, что системы LTE работают в лицензируемых частотах, а Wi-Fi – в нелицензируемых ISM диапазонах (2,4 ГГц и 5 ГГц). Работа в лицензируемом диапазоне позволяет снизить уровень непреднамеренных помех, что выражается в лучшем качестве связи ведомственных сетей специального назначения.

Отличием от технологии WiMax (группа стандартов IEEE 802.16) является совместимость с другими технологиями 3GPP, а также предоставляется существенно больший выбор абонентского оборудования.

Целью курсового проекта является изучение особенностей организации физических каналов LTE FDD. Задачей является структурное описание построения физических каналов по направлениям «вверх» и «вниз» технологии LTE FDD.

Анализ альтернативных решений
Стандарт LTE бывает двух видов, различия между которыми довольно существенны.

FDD - Frequency Division Duplex (частотный разнос входящего и исходящего канала). Трафик вниз и вверх обеспечивается одновременно в различных частотных диапазонах.

TDD - Time Division Duplex (временной разнос входящего и исходящего канала). Передача в канале вверх и вниз не ведется непрерывно, что позволяет использовать для организации канала один и тот же частотный диапазон.

Например, если разделить время между передачей вверх и вниз в соотношении 1:1, то направление вверх будет использоваться лишь половину времени. Средняя мощность, для каждого сеанса связи, также оказывается равна половине пиковой мощности. Поскольку пиковая мощность ограничена регулятором, то в результате получается, что для той же пиковой мощности TDD обеспечивает меньшее покрытие, нежели FDD. В целом FDD LTE предпочтительнее, так как он работает быстрее и стабильнее. Поэтому считаю актуальным изучение технологии LTE FDD.

2. Организация каналов в LTE
Есть три категории, в которые могут быть сгруппированы различные каналы передачи данных:

· Логические каналы – предоставляют услуги среднего уровня управления доступом МАС в пределах структуры протокола LTE. Логические каналы по типу передаваемой информации делятся на логические каналы управления и логические каналы трафика. Логические каналы управления используются для передачи различных сигнальных и информационных сообщений. По логическим каналам трафика передают пользовательские данные.

· Транспортные каналы – транспортные каналы физического уровня предлагают передачу информации в МАС и выше. Информацию логических каналов после обработки размещают в транспортных каналах для дальнейшей передачи по радио интерфейсу в физических каналах. Транспортный канал определяет, как и с какими характеристиками происходит передача информации по радио интерфейсу. Информационные сообщения на транспортном уровне разбивают на транспортные блоки. В каждом временном интервале передают хотя бы один транспортный блок. При использовании технологии MIMO возможна передача до четырех блоков в одном TTI.

· Физические каналы – это каналы передачи, которые переносят пользовательские данные и управляющие сообщения. Они изменяются между восходящим и нисходящим потоками, поскольку каждый из них имеет различные требования и действует по-своему.


Рисунок 1 – Организация каналов


В рамках данного курсового проекта будут рассмотрены физические каналы, сведённые в таблицу 1:



Таблица 1 - Физические каналы LTE FDD

3. LTE FDD Downlink
Длительность одного кадра составляет 10 мс., каждый кадр состоит из 10 субкадров. В свою очередь, субкадр состоит из двух слотов по 0,5 мс (Tslot = 15360 Ts), содержащих 7 или 6 символов OFDM в зависимости от типа циклического префикса.



Рисунок 2 – Структура кадра типа 1 LTE FDD Downlink
Существует два разных типа циклического префикса. Один из них - обычный циклический префикс, а другой - расширенный циклический префикс. Поскольку длина одного слота фиксирована и не может быть изменена, если используется расширенный префикс, то количество символов, которые могут быть размещены в слоте, должно быть уменьшено. Таким образом, мы можем иметь только 6 символов, если мы используем расширенный префикс.

Обычный циклический префикс используется в городских ячейках и приложениях с высокой скоростью передачи данных. Он уменьшает емкость канала на 7,5%. Расширенный префикс предназначен для специальных случаев, таких как широковещательная передача на много ячеек или для больших ячеек, например, в сельскохозяйственных районах.

Количество поднесущих N лежит в диапазоне 128—2048 в зависимости от ширины канала. На практике чаще всего используется 512 или 1024 поднесущих для 5 и 10 МГц, соответственно. Расстояние между поднесущими 15 кГц. Частота выборки fs = ∆f∙N = 15000N. Базовый интервал соответствует частоте 30,72 МГц, кратной стандартной в WCDMA-системах частоте обработки 3,84 МГц. Это сделано намеренно с целью создания устройств, работающих в стандартах 3G и LTE с общим тактированием. 

Таблица 2 - Параметры нисходящего физического уровня LTE

В нисходящем и восходящем канале применение технологии OFDM различно. В нисходящем канале эта технология используется не только для передачи сигнала, но и для организации множественного доступа (OFDMA) – т.е. для мультиплексирования абонентских каналов. В отличие от пакетных сетей, в LTE нет физической преамбулы, которая необходима для синхронизации и оценки смещения несущей. Вместо этого в каждый ресурсный блок добавляются специальные опорные и синхронизирующие сигналы.

3.1 Опорные сигналы в нисходящем канале
Опорный сигнал служит для непосредственного определения условий в канале передачи (поскольку приемнику известно его месторасположение и исходная форма).


Рисунок 3 - Расположение опорного сигнала (сell-specific) в нисходящем канале ресурсной сетки LTE 

Опорный сell-specific сигнал должен присутствовать в каждом субкадре нисходящего канала. Так, при стандартной длине префикса он транслируется в 0-м и 4-м OFDM-символе, при расширенном СР – во время 0-го и 3-го OFDM-символа.

В частотной области опорные сигналы передаются через каждые шесть поднесущих, причем смещение определяется идентификатором ячейки, взятым по модулю 6. Помимо опорных сигналов, в нисходящем канале транслируются и синхронизирующие сигналы.

Представим сигнал LTE на двумерной карте, как показано на рисунке 4. Горизонтальная ось - это временная область, а вертикальная ось - частотная область. Минимальная единица по вертикальной оси является поднесущей, а минимальная единица по горизонтальной оси - символом.


Рисунок 4– Двумерное представление сигнала LTE

Всем абонентским устройствам в каждом слоте назначается диапазон канальных ресурсов — ресурсная сетка. Ячейка ресурсной сетки, ресурсный элемент (РЭ) соответствует одной поднесущей в частотной области и одному OFDM-символу во временной. Ресурсные элементы образуют ресурсный блок — минимальную информационную единицу в канале. Ресурсный блок занимают 12 поднесущих (180 кГц) и 7 или 6 OFDM-символов в зависимости от типа циклического префикса.

Пространство между каналами всегда одинаково, независимо от ширины полосы полосы LTE. Поэтому, если полоса пропускания системы LTE-канала изменяется, количество каналов (поднесущих) изменяется, но пространство между каналами остаётся прежним (15 кГц). Количество поднесущих – 1200/20 МГц, 600/10 МГц, 300/5 МГц.

3.2 Синхронизирующие последовательности
Абонентское устройство при подключении к сети проходит процедуру поиска ячейки, состоящую из нескольких стадий синхронизации, на которых определяются параметры времени и частоты, необходимые для демодуляции нисходящих сигналов и трансляции с правильной временной меткой, а также основные системные параметры.

В процессе синхронизации абонентское устройство последовательно детектирует два широковещательных сигнала: первичную (Primary Synchronization Sequence, P-SS) и вторичную синхронизирующую последовательность (Secondary Synchronization Sequence, S-SS). Они содержат информацию о значении времени и частоты и позволяют получить общие параметры системы, такие как идентификатор ячейки, длина циклического префикса и режим доступа (FDD или TDD). На этой стадии может производиться декодирование сигнала PBCH для получения важной информации о системе (см. рисунок 5).



Рисунок 5 – Синхросигналы в нисходящей передаче
Синхросигналы передаются дважды в течение одного радиокадра. Данные PSS располагаются в последнем OFDM-символе первого и 11-го слота кадра. Это позволяет абонентскому устройству определять границы слота независимо от типа циклического префикса. Сигнал P-SS одинаков для всех ячеек сети. Данные S-SS располагаются в радиокадре перед полем P-SS. Абонентское устройство распознает длину циклического префикса по позиции S-SS.

В частотной области P-SS и S-SS занимают 6 центральных ресурсных блоков независимо от полосы канала. При таком подходе синхронизация может производиться даже в том случае, если абонентское устройство не получило информацию о диапазоне используемых частот. 

3.3 Нисходящие физические каналы
Стандартом LTE определен ряд нисходящих физических каналов для передачи информационных блоков, полученных от уровней MAC и выше. Эти каналы делятся на транспортные и каналы управления.

Транспортные каналы

1. Широковещательный канал (Physical Broadcast Channel, PBCH).

Служит для широковещательной рассылки ограниченного набора параметров, необходимых для первичного доступа к ячейке (полоса нисходящего канала, структура канала PHICH и 8 старших битов системного номера кадра). Эти параметры составляют главный информационный блок (Master Information Block, MIB) длиной 14 бит.



Рисунок 6 – Канал PBCH
Широковещательный канал доступен на всей зоне покрытия, включая границы. Для детектирования сигнала PBCH абонентским устройством не требуется знать полосу пропускания. Данные MIB закодированы на очень низкой скорости и занимают 72 центральные поднесущие (6 РБ). 

2. Общий канал (PDSCH — Physical Downlink Shared Channel).


Предназначен для передачи данных пользователю. Для предотвращения появления ошибок применяется прямая коррекция ошибок. Сигналы данных разделены в пространстве в соответствии с типом приемных антенн и модулированы QPSK, 16 QAM или 64 QAM.



Рисунок 7 – Канал PDSCH
Канал PDSCH может использоваться для широковещательной трансляции данных, не передаваемых по широковещательным каналам PBCH. К ним относятся, например, системные информационные блоки (System Information Blocks, SIB) и сообщения системы персонального вызова.

3. Канал групповой передачи (Physical Multicast Channel, PMCH).

В этом канале определяется структура физического уровня для служб Multimedia Broadcast и Multicast (MBMS). В первую редакцию стандарта LTE они не вошли. Сигнал PMCH предназначен для сетей с одной частотой.

Каналы управления

Каналы управления занимают первые 1, 2 или 3 символа OFDM.

1. Канал управления (Physical Downlink Control Channel, PDCCH).

Используется для передачи таблиц назначения канальных ресурсов абонентским устройствам. В одном субкадре может содержаться несколько PDCCH. Сигнал модулируется QPSK.

2. Канал формата управления (Physical Control Format Indicator Channel, PCFICH).

Данный канал содержится в каждом субкадре в виде управляющего индикатора (Control Frame Indicator, CFI) и передает номера OFDM-символов, которые используются для трансляции сообщений канала управления PDCCH. Индикатор CFI содержит 32 бита и располагается в 16 РЭ первого OFDM-символа нисходящего кадра. Сигнал модулирован QPSK.



Рисунок 8 – Каналы PDCCH/PCFICH
3. Канал гибридной процедуры повторного запроса (Physical Hybrid ARQ Indicator Channel, PHICH).

Предназначен для подтверждения доставки данных в восходящем канале (HARQ ACK/NAK). Для достоверности передача повторяется трижды. Сигнал модулирован BPSK.

Список литературы

  1. Фрэнк Райал, Физический уровень LTE // Электронные компоненты №10 2010 [Электронный ресурс] URL: http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/2187/doc/53411/
  2. Frame Structure – Downlink [Электронный ресурс] URL: http://www.sharetechnote.com/html/FrameStructure_DL.html
  3. Frame Structure – Uplink [Электронный ресурс] URL: http://www.sharetechnote.com/html/FrameStructure_UL.html
  4. В. Вишневский, А. Красилов, И. Шахнович, Технология сотовой связи LTE – почти 4G // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 1/2009 [Электронный ресурс] URL: http://www.electronics.ru/files/article_pdf/0/article_162_584.pdf
  5. Петренко А.А., Петренко С.А., Способ повышения устойчивости LTE-сети в условиях деструктивных кибератак // Вопросы кибербезопасности №2 (10) 2015 [Электронный ресурс] URL: http://cyberrus.com/wp-content/uploads/2015/05/vkb_10_06.pdf