Особенности организации физических каналов радиоинтерфейса LTE FDD
Часть 2
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 

DM-RS – «демодулированный» опорный сигнал (Uplink) 

SRS – зондовый опорный сигнал (Uplink) 

PUSCH – общий канал (Uplink) 

PUCCH – канал управления (Uplink) 

PRACH – канал произвольного доступа (Uplink)

1. LTE FDD Uplink

В восходящем канале допустимая мощность излучения значительно ниже, чем в нисходящем. Поэтому первичным становится энергетическая эффективность метода передачи информации с целью увеличения зоны покрытия, снижения стоимости терминального устройства и потребляемой им мощности.

Для восходящего канала LTE была предложена новая технология – SC-FDMA (Single-Carrier FrequencyDivision Multiple Access). Принципиальное ее отличие – если в OFDMA на каждой поднесущей одновременно передается свой модуляционный символ, то в SC-FDMA поднесущие модулируются одновременно и одинаково, но модуляционные символы короче. То есть в OFDMA символы передаются параллельно, в SC-FDMA – последовательно. Такое решение обеспечивает меньшее отношение максимального и среднего уровней мощности по сравнению с использованием обычной модуляции OFDM, в результате чего повышается энергоэффективность абонентских устройств и упрощается их конструкция (существенно снижаются требования к точности частотных параметров передатчиков). 

1.1 Опорные сигналы в восходящем канале

Передача в восходящем направлении аналогична передаче в нисходящем. Самой маленькой единицей ресурсной сетки является РЭ, состоящий из одного SC-FDMA блока данных. Ресурсный блок содержит 12 РЭ. В режиме FDD абонентскому устройству назначается несколько последовательных РБ в восходящем канале. В нисходящем канале применяется непоследовательное назначение. Во временной области восходящий пакет длительностью 10 мс делится на 10 субкадров по 1 мс каждый и на 20 слотов. Слот состоит из 7 или 6 SC-FDMA-символов в случае нормального и расширенного префикса, соответственно. Длительности циклических префиксов в восходящем канале такие же, как и в нисходящем.

Помимо собственно информации, генерируемой функциями верхних уровней, в восходящем канале передаются опорные сигналы. Их назначение – помочь приемнику БС настроиться на определенный передатчик АУ. Кроме того, эти сигналы позволяют оценить качество канала, что используется в БС при диспетчеризации ресурсов. Опорные сигналы в восходящем канале бывают двух видов – так называемые "демодулированные" (Demodulation Reference Signals, DM-RS) и зондовые (Sounding Reference Signal, SRS).


Рисунок 1 – Опорные сигналы LTE FDD Uplink

    Демодулированные опорные сигналы аналогичны опорным сигналам нисходящего канала. Они передаются на постоянной основе. Так, в общем информационном канале последовательность демодулированного опорного сигнала передается в четвертом SC-FDMA-символе каждого слота при стандартном СР. Зондовые сигналы апериодичны. Их основное назначение – дать БС возможность оценить качество канала, если передача еще не ведется. SRS представляет собой опорный сигнал с более широкой полосой, обычно передающийся в последнем SC-FDMA символе субкадра, как показано на рисунке 1. В этом блоке не передаются данные пользователя, поэтому емкость восходящего канала на 7% меньше. Сигнал SRS необязателен.


        1.2 Восходящие физические каналы

На физическом уровне в восходящем направлении определено три типа каналов: общий (Physical Uplink Shared Channel, PUSCH), управления (Physical Uplink Control Channel, PUCCH) и произвольного доступа (Physical Random Access Channel, PRACH).

1.  Общий канал PUSCH

Канал передачи пользовательского трафика и сигнализации Uplink Control Information (UCI). Сигнал модулируется квадратурной модуляцией QPSK и 16 QAM (64QAM — опционально). 


Рисунок 2 – Канал PUSCH

Изначально соседние символы данных соответствуют во временной области соседним SC-FDMA-символам. Затем они разделяются по поднесущим и модулируются OFDM. После перемежения биты скремблируются, модулируются и проходят через блок дискретного преобразования Фурье (ДПФ). Применяются те же типы модуляции, что и в общем нисходящем канале.

По общему каналу передается вся управляющая информация для декодирования данных — это индикаторы транспортного формата и параметры MIMO. Служебные данные мультиплексируются с информационными до выполнения ДПФ.

2.   Канал управления PUCCH

            Cодержит такую информацию, как индикатор качества канала, сообщения подтверждения доставки (ACK/NACK) и запрос на получение расписания (о доступных ресурсах).

Канал общего пользования и управляющий канал никогда не транслируются одновременно одним АУ. Для передчи управляющего канала используются один ресурсный блок в каждом из слотов одного субкадра. В зависимости от формата PUCCH возможно четыре варианта его расположения на ресурсной сетке. 


Рисунок 3 – Канал PUCCH

Канал управления передается независимо от трафика данных. В частотной области передача идет на границе полосы. 

3.     Канал произвольного доступа PRACH

Канал произвольного доступа служит для запроса начальной инициализации в сети, при хендовере, при выходе из режима ожидания в активный режим и т.п.


Рисунок 4 – Канал PRACH

Абонентской станции назначается интервал в ресурсной сетке (номер физического ресурсного блока и номер субкадра), в течение которого она передает специальный пакет – преамбулу произвольного доступа. Преамбула ге- нерируется на основе последовательностей Задова-Чу с нулевой зоной корреляции, всего определено 64 различных преамбулы на одну ячейку. БС, приняв запрос доступа, отвечает в том же самом канале произвольного доступа (но уже нисходящем) подтверждением. Если подтверждение не получено, АУ повторяет запрос. 

Выводы

          Отличительными чертами LTE FDD являются более низкая интерференция между соседними BS и в более высокая скорость в Downlink на одинаковой с TDD ширине канала (скорость downlink в TDD на канале 20 МГц соответствует скорости в FDD на канале 15 МГц).

TDD с другой стороны, более эффективно использует ресурсы при асимметричном канале (каким и является канал в мобильной связи), поскольку в TDD возможно регулировать соотношение ресурсов для downlink/uplink. Поэтому, как FDD, так и TDD нашли своё место в современных сетях LTE.

Объем мобильного трафика с каждым годом растет, потребители используют все больше данных, таких как аудио, видео, трансляции, онлайн игры и просто просмотр страниц. Спустя четыре года использования LTE сетей, операторы мобильной связи начинают внедрять его приемника - LTE-Advanced. Специалисты по беспроводной связи называют LTE-Advanced «истинным 4G», потому что в отличии от обычного 4G LTE, он на самом деле соответствует техническим спецификациям Международного Союза Электросвязи для беспроводных систем четвертого поколения.

          В данной работе был произведен анализ организации физических каналов радиоинтерфейса LTE FDD по направлению «вниз» и «вверх». Была изучена структура кадра по направлению «вниз», используемые опорные сигналы, синхронизирующие последовательности, их назначение. Были составлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы физических каналов.

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