Тема работы:
"Применение симулятора OpenLTE для моделирования передачи данных в сети LTE"
Часть 1: Подробный анализ концепции построения L1/L2 уровня сети LTE.



Выполнил: 
Студент группы 218
Исаев М.О.


Цель работы: Общая цель, которая ставится при выполнении курсовой работы заключается в адаптации исходного кода симулятора OpenLTE к среде Matlab и демонстрация основных функциональных возможностей данного симулятора. Непосредственно эта статья будет затрагивать общее описании сети стандарта LTE (или 4G), концепции построения физического и канального уровня данного стандарта сотовой связи.
    1 Общая информация по сетям стандарта LTE или 4G.
        Изначально стандарт LTE разрабатывался для того, чтобы пользователи могли получить доступ к различным услугам, но по большей части акцент делался на доступ к сети интернет по средствам протокола IP. Сеть LTE состоит из множества элементов. Все Эти элементы делятся на 2 категории: элементы, относящиеся к сети радиодоступа и элементы опорной сети. Ключевыми структурами, определяющими эффективность любой радиосети, являются алгоритмы и механизмы, используемые для передачи данных между базовой станцией стандарта LTE (БС или E-UTRAN Node B, так же известной как Evolved Node B имеющей аббревиатуры eNodeB или eNB) и мобильными станциями (МС или User Equipment). Ниже рассмотрим основные характеристики сети стандарта LTE.
        Как правило наибольшая пропускная способность и скорость передачи в сетях стандарта LTE достигаются при сравнительно малых радиусах сот (порядка нескольких сотен метров). Соответственно увеличение радиуса соты влечёт за собой уменьшение основных характеристик LTE-сети. Поэтому приходится искать компромиссы между качеством соединения и размером зоны покрытия.
        Для обеспечения дуплексной передачи данных между eNodeB и UE в стандарте сотовой связи LTE предусмотрено использование как частотного (FDD), так и временного (TDD) дуплексов. На текущей момент подавляющее число клиентского оборудования поддерживающего работу в сетях стандарта LTE используют FDD, но по мере развития технологий число UE, которое может использовать TDD постепенно увеличивается. Для частотного дуплекса определено 33 парных частотных диапазонов, а для временного - 14. Так же при этом, ширина радиоканала может быть различной. Могут использоваться следующие значения: 1.4, 3, 5, 10, 15 и 20 МГц. В качестве множественного доступа в LTE используются OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) в нисходящем канале и SC-FDMA (Single Carrier – Frequency Division Multiple Access) в восходящем канале.
        При использовании технологии OFDMA весь имеющийся спектр разбивается на поднесущие, ортогональные друг другу. В зависимости от используемой ширины канала общее количество поднесущих может быть равным 72, 180, 300, 600, 900 или 1200. Каждая из них может иметь свой вид модуляции. Могут использоваться следующие модуляции: QPSK, 16QAM, 64QAM. Множественный доступ организуется за счет того, что некоторая часть поднесущих выделяется одному пользователю в кадре, другая часть - второму пользователю и т.д. Более подробно это будет рассмотрено ниже.
        Основной плюс множественного доступа с использованием технологии OFDMA заключается в том, что она позволяет бороться при приеме сигнала с негативными эффектами, вызванными многолучевым распространением. Однако, этой технологии так же присущи и некоторые недостатки. Основные из них заключаются в том, данная технология очень чувствительна к частотной синхронизации. А также, сгенерированный OFDMA сигнал обладает высоким PAPR (Peak to Average Ratio). Это в свою очередь сказывается на том, что используемый усилитель сигнала будет работать на нелинейных участках своей характеристики. Поэтому его эффективность будет весьма низкой, что достаточно критично сказывается на устройствах с ограниченным запасом энергии (мобильных терминалах). Из-за этого в восходящем канале стандарта LTE используется другая технология множественного доступа, а именно SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access). Отличие SC-FDMA от OFDMA заключается в том, что в SC-FDMA используется дополнительная обработка сигнала для снижения PAPR. В SC-FDMA в качестве такой дополнительной обработки сигнала используется преобразование Фурье. Так же, как и в нисходящем канале, в восходящем канале могут использоваться следующие виды модуляции: QPSK, 16QAM, 64QAM.

        Стандарт LTE также поддерживает технологию передачи MIMO (Multiple Input Multiple Output), которая позволяет существенно увеличить пиковую скорость передачи данных и значение спектральной эффективности. Суть технологии MIMO заключается в том, что при передаче и приеме данных используется несколько антенн с каждой стороны. Разные антенны могут передавать одни и те же данные, в этом случае повышается надежность передачи данных, но не скорость передачи. Также разные антенны могут передавать различные потоки данных, при этом увеличивается скорость передачи данных. Максимально в нисходящем канале технологией LTE поддерживается схема 4х4. Это означает, что на передающей и приемной стороне используется по четыре антенны. В этом случае скорость передачи данных может быть увеличена до 4-х раз (в действительности чуть меньше из-за увеличения количества пилотных сигналов). 

            1.1 Архитектура системы стандарта LTE
        Архитектура сети LTE разработана таким образом, чтобы обеспечить поддержку пакетного трафика с так называемой “гладкой” (“бесшовной”, seamless) мобильностью, минимальными задержками доставки пакетов и высокими показателями качества обслуживания. Мобильность как функция сети обеспечивается двумя её видами: дискретной мобильностью или роумингом и непрерывной мобильностью или хэндовером. Поскольку сети LTE должны поддерживать процедуры дискретной и непрерывной мобильности со всеми существующими сетями, для LTE-абонентов должно обеспечиваться повсеместное покрытие услуг беспроводного широкополосного доступа. Пакетная передача позволяет обеспечить все услуги, включая передачу пользовательского голосового трафика. В отличие от большинства сетей предыдущих поколений, в которых наблюдается достаточно высокая разнотипность и иерархичность сетевых узлов архитектуру сетей LTE можно назвать “плоской”, поскольку практически всё сетевое взаимодействие происходит между двумя узлами: базовой станцией и блоком управления мобильностью БУМ (MME, Mobility Management Entity), также БУМ может включать в себя и сетевой шлюз (GW, Gateway), т. е. имеют место комбинированные блоки MME/GW. 
        Главной функцией БУМ является управление пользовательскими терминалами (ПТ), находящимися в режиме ожидания, включая перенаправление и исполнение вызовов, авторизацию и аутентификацию, дискретную и непрерывную мобильность, установление служебных и пользовательских каналов и др. Среди всех сетевых шлюзов отдельно выделены два: обслуживающий шлюз ОШ (S-GW, Serving Gateway) и шлюз пакетной сети (P-GW, Packet Data Network Gateway), или, короче, пакетный шлюз (ПШ). ОШ функционирует как блок управления локальной мобильностью, принимая и пересылая пакеты данных, относящиеся к БС и обслуживаемым им пользовательским терминалам. ПШ является интерфейсом взаимодействия между набором БС и различными внешними сетями, а также выполняет некоторые функции IP-сетей, такие, как распределение адресов, обеспечение пользовательских политик, маршрутизация, фильтрация пакетов и др. В основу принципов построения сети LTE положено разделение двух аспектов: физической реализации отдельных сетевых блоков и формирования функциональных связей между ними. При этом задачи физической реализации решаются, исходя из концепции области, а функциональные связи рассматриваются в рамках слоя. Первичным разделением на физическом уровне является разделение архитектуры сети на область пользовательского оборудования и область сетевой инфраструктуры. Последняя, в свою очередь, разделяется на подсеть радиодоступа и базовую (пакетную) подсеть. Пользовательское оборудование — это совокупность ПТ с различными уровнями функциональных возможностей, используемых сетевыми абонентами для доступа к услугам, предоставляемым LTE-сетью. При этом пользовательским терминалом может быть как реальный абонент, пользующийся, к примеру, услугами голосового трафика, так и терминал без пользователя, предназначенный для передачи/приёма определённых сетевых или пользовательских приложений. На рисунке 1 показана обобщённая структура сети стандарта LTE, из которой видно наличие двух слоёв функциональных связей: слоя радиодоступа и внешность слоя радиодоступа . Показанные на рисунке 1 овалы со стрелками обозначают точки доступа к услугам. 
 
Рисунок 1 - Обобщённая структура сети LTE 
         Радиоинтерфейс между областью пользовательского оборудования и областью сети радиодоступа называется Uu-интерфейсом; стык между областью сети радиодоступа и областью базовой сети — S1-интерфейсом.
        В пользовательской плоскости реализованы протоколы, обеспечивающие передачу пользовательских данных по радиоканалу. К плоскости управления относятся те протоколы, которые в различных аспектах обеспечивают соединение между ПТ и сетью. Также к этой плоскости относятся протоколы, предназначенные для прозрачной передачи сообщений, относящихся к предоставлению различных услуг. Область сети радиодоступа логически разделена на два уровня: уровень радиосети (Radio Network Layer) и уровень транспортной сети (Transport Network Layer). Взаимодействие входящих в область сети радиодоступа БС осуществляется на основе X2-интерфейса (рисунок 2). S1-интерфейс поддерживает множественные отношения между набором БС и блоками БУМ/ОУ. 
 
Рисунок 2 - Соединение функциональных узлов сети радиодоступа 
        Рассмотрим назначение функциональных блоков сети радиодоступа. На БС в сетях LTE возложено выполнение следующих функций:
      • Управление радиоресурсами
      • Сжатие заголовков IP-пакетов, шифрование потока пользовательских данных. 
      • Выбор блока управления мобильностью при включении в сеть пользовательского терминала при отсутствии у того информации о прошлом подключении. 
      • Маршрутизация в пользовательской плоскости пакетов данных по направлению к обслуживающему шлюзу. 
      • Диспетчеризация и передача вызывной и вещательной информации, полученной от БУМ. 
      • Диспетчеризация и передача сообщений системы тревожного оповещения, полученных от БУМ. 
      • Измерение и составление соответствующих отчётов для управления мобильностью и диспетчеризации. 
        Блок управления мобильностью обеспечивает выполнение следующих функций:
      • Передача защищённой информации о точках доступа к услугам и защищённое управление точками доступа. 
      • Передача информации в базовую сеть для управления мобильностью между различными сетями радиодоступа. 
      • Управление БС, находящимися в состоянии ожидания, включая перенаправление вызовов. 
      • Управление списком зон отслеживания ПТ. 
      • Выбор обслуживающего шлюза и шлюза пакетной сети для сетей радиодоступа различных стандартов. 
      • Управление радиоканалом, включая установку выделенного канала. 
      • Поддержка передачи сообщений системы тревожного оповещения. 
        Обслуживающий узел отвечает за выполнение следующих функций: 
      • Выбор точки привязки локального местоположения при хэндовере.
      • Буферизация пакетов данных в нисходящем направлении, предназначенных для ПТ, находящихся в режиме ожидания, и инициализация процедуры запроса услуги. 
      • Санкционированный перехват пользовательской информации. 
      • Маршрутизация и перенаправление пакетов данных. 
      • Маркировка пакетов транспортного уровня. 
      • Формирование учётных записей пользователей и идентификатора класса качества обслуживания для тарификации. 
      • Тарификация абонентов. 
        Наконец, шлюз пакетной сети обеспечивает выполнение следующих функций:
      • Фильтрация пользовательских пакетов. 
      • Санкционированный перехват пользовательской информации. 
      • Распределение IP-адресов для ПТ. 
      • Маркировка пакетов транспортного уровня в нисходящем направлении. 
      • Тарификация услуг.
    2 Физический и канальный уровни системы стандарта LTE

(а)

(б)
Рисунок 3 - Протоклы и подуровни взаимодействия МС с сетью (а) и БУМ (б)
        Из рисунка 3 видно, что в состав сети LTE входит несколько различных подуровней и протоколов. Нас же будет интересовать физический уровень (PHY) и подуровни относящиеся к канальному уровню сети: MAC, RLC, PDCP. О которых дальше пойдёт речь.
            2.1 Физический уровень
        На физическом уровне реализованы услуги по передачи данных на более высокие уровни. Выполнение таких услуг связано с обеспечением следующих функций: 
      • Обнаружение ошибок в транспортном канале и индикация об этом на более высокие уровни. 
      • Помехоустойчивое кодирование и декодирование данных в транспортном канале.
      • Гибридные запросы на повторную пересылку пакетов данных (HARQ, Hybrid Automatic Repeat Request)
      • Энергетическое выравнивание физических каналов с помощью весовых множителей. 
      • Модуляция / демодуляция физических каналов. 
      • Частотная и временная синхронизация.
      • Измерение радиочастотных характеристик и индикация об этом на более высокие уровни. 
      • Разнесённая передача и параллельная антенная обработка (методы MIMO).
      • Формирование диаграммы направленности.
      • Радиочастотная обработка сигналов. 
        Связь между физическим уровнем и MAC- подуровнем обеспечиваются транспортными каналами, а между MAC-подуровнем и RLC-подуровнем — логическими каналами.
     Функционирование сетей LTE может осуществляться в частотных диапазонах с различной шириной. Сигналы нисходящего или восходящего направления могут занимать полосы от 1,4 до 20 МГц в зависимости от количества активных ресурсных блоков. Границы частотного диапазона, занимаемого сигналом, всегда определяются симметрично относительно несущей частоты fc. Для любого частотного диапазона вводится частотная сетка с шагом 100 кГц, называемым канальным растром; это означает, что центральные частоты каналов должны быть кратны 100 кГц. Все временные значения выражаются в единицах элементарного временного интервала, равного Ts = 1/(15000x2048) секунд.
        Передача информации в восходящем и нисходящем направлениях организована в кадрах длительностью Tf  = Ts × 307200 = 10 мс, которые, в свою очередь, подразделяются на более мелкие временные структуры — слоты. При этом возможны две структуры кадра: Тип 1, использующийся при частотном разнесении и Тип 2 - при временном. 
        Структура кадра Типа 1 (рисунок 4), применяемого как в дуплексном, так и полудуплексном FDD-режимах, предполагает деление кадра на 20 слотов, нумеруемых от нулевого до 19-го, каждый из которых имеет длительность Tslot = Ts x  15360 = 0.5 мс. В пределах кадра различают подкадры, представляющие собой пару из двух смежных слотов; i-й подкадр содержит слоты с номерами 2i и 2i + 1.

Рисунок 4 - Кадр Типа 1
        В режимах с частотным разнесением временной ресурс в пределах кадра разделён пополам для передачи в противоположных направлениях: 10 подкаров доступны для передачи в восходящем направлении и 10 — в нисходящем. При этом, как следует из физической сущности организации FDD-режимов, физические каналы в противоположных направлениях разделены в спектральной области дуплексным расстоянием. В полудуплексном режиме физические каналы по-прежнему разделены дуплексным расстоянием, однако ПТ не может одновременно работать на приём и на передачу.
        Кадры Типа 2 используются при временном разнесении каналов. При этом каждый кадр (рисунок 5) разделён на два полукадра каждый из которых может иметь длительность Thf=153600Ts=5 мс., а каждый полукадр состоит из пяти последовательных подкадров длительностью Tsf = 30720xTs = 1 мс.

Рисунок 5 - Кадр Типа 2
        Необходимость перехода от одного направления к другому означает наличие в кадрах специальных подкадров, содержащих пилотное поле, называемое точкой переключения. В этом поле выделяют специальные пилотные слоты нисходящего направления DwPTS (Downlink Pilot Time Slot) и пилотные слоты восходящего направления UpPTS (Uplink Pilot Time slot), которые располагаются последовательно, вместе с защитным полем GP (Guard Period).
                   2.3 Канальный уровень
        На рисунке 4 показана структура канального уровня в нисходящем и восходящем направлениях; различие структур в том, что в нисходящем направлении на MAC-подуровне происходит управление приоритетом нескольких ПТ, в то время как в восходящем направлении такое управление относится только к одному ПТ. 
        На MAC-подуровне обеспечивается выполнение следующих основных функций:
      • Мультиплексирование пакетов услуг, относящихся к одному или нескольким логическим каналам, в транспортные блоки транспортных каналов и выполнение обратных функций.
      • Диспетчеризация составления отчётов.
      • Исправление ошибок через запросы на повторную передачу.
      • Управление приоритетом между логическими каналами. 
      • Идентификация услуг мультимедийного вещания.
      • Выбор транспортного формата.
      • Выравнивание содержимого пакетов данных.
        Передача данных на RLC-подуровне может происходить в двух режимах: с подтверждением (AM, Acknowledge Mode) либо без подтверждения (UM, Unacknowledge Mode). Режим без подтверждения, при его возможном использовании в радиоканале, допускает некоторую потерю пакетов данных. В режиме с подтверждением используется механизм автоматических запросов на повторную передачу потерянных пакетов. На RLC-подуровень возложены следующие функции:
      • Передача пакетов данных на более высокий уровень.
      • Исправление ошибок через запросы на повторную передачу (только в режиме с подтверждением).
      • Сцепление, сегментация и повторная сборка пакетов услуг.
      • Повторная сегментация пакетов данных (только в режиме с подтверждением).
      • Изменение порядка следования пакетов данных.
      • Функционирование протокола обнаружения ошибок (только в режиме с подтверждением).
      • Отбрасывание искаженных пакетов услуг.
      • Повторная установка соединения на уровне RLC. 
        PDCP-подуровень выполняет следующие функции:
      • Сжатие / восстановление заголовков по протоколу ROHC (Robust Header Compression). 
      • Передача пользовательских данных.
      • Последовательная доставка пакетов данных более высокого уровня (в режиме с подтверждением).
      • Двойное обнаружение пакетов услуг с более низкого уровня (в режиме с подтверждением).
      • Повторная передача пакетов услуг при хэндовере (в режиме с подтверждением).
      • Шифрование / дешифрование.
      • Отбрасывание искаженных пакетов услуг в восходящем направлении.
      • Передача управляющей информации. 

(а)

(б)
Рисунок 6 - Структура канального уровня в нисходящем (а) и восходящем (б) направлениях
        
    3 Каналы обеспечивающие связи между различными уровнями и узлами
            3.1 Физические, транспортные и логические каналы в нисходящем направлении

Рисунок 7 - Каналы в нисходящем направлении
        Логические каналы определяются типом информации, которая в них содержится, и подразделяются на два класса: управляющие, переносящие служебную информацию, и канала трафика, в которых содержится пользовательская информация. В нисходящем направлении определены пять управляющих логических каналов:
      • вызывной управляющий канал PCCH (Paging Control Channel), предназначенный для поиска абонента (терминала) в сети посредством передачи вызывающей информации; 
      • вещательный управляющий канал BCCH (Broadcast Control Channel), используемый для передачи в сети служебной информации; 
      • общий управляющий канал CCCH (Common Control Channel), при использовании которого обеспечивается связь между сетью и ПТ, не имеющим соединения на RRC-подуровне;
      • выделенный управляющий канал DCCH (Dedicated Control Channel), также предназначенный для обеспечения связи между сетью и ПТ, но имеющим RRC-соединение;
      • групповой управляющий канал MCCH (Multicast Control Channel), при помощи которого обеспечивается совместная передача мультимедийных услуг. 
        Наряду с управляющими, определены два логических канала отвечающих за передачу трафика:
      • выделенный канала трафика DTCH (Dedicated Traffic Chanel), устанавливаемый между двумя абонентами для передачи пользовательской информации;
      • групповой канал трафика MTCH (Multicast Traffic Chanel), устанавливаемый для передачи услуг мультимедийного вещания. 
        Передача пользовательской или служебной информации с более высокого на более низкий уровень описывается в терминах отображения каналов: логических — на транспортные, транспортных — на физические. Логический канал PCCH в нисходящем направлении отображается на транспортный вызывной канал PCH (Paging Channel), поддерживающий прерывистый приём пакетов данных. Логический канал BCCH отображается либо на транспортный вещательный канал BCH (Broadcast Channel), либо транспортный нисходящий совместный канал DL-SCH (Downlink Shared Channel). Канал BCH характеризуется фиксированной конфигурацией транспортного блока, и именно на него настраивается ПТ после синхронизации в соте. В канале DL-SCH поддерживаются адаптивные методы модуляции и кодирования, управление мощностью, гибридные автоматические запросы на повторение, многоантенные технологии и др. Логические каналы MCCH и MTCH отображаются либо в транспортный групповой канал MCH (Multicast Channel), либо в транспортный нисходящий совместный канал DL-SCH. Канал MCH поддерживает групповую передачу мультимедийных услуг от нескольких сот. Логические каналы CCCH, DCCH и DTCH отображаются в транспортный канал DL-SCH. Итак, семь логических каналов отображаются на четыре транспортных канала. 
        Далее, при переходе на физический уровень, происходит отображение транспортных каналов на шесть физических каналов. Транспортный канал BCH отображается в физический вещательный канал PBCH (Physical Broadcast Channel), который передаётся во временном интервале длительностью 40 мс, называемый кадром. Транспортные каналы PCH и DL-SCH отображаются в физический нисходящий совместный канал PDSCH (Physical Downlink Shared Channel). Транспортный канал MCH отображается в физический канал группового вещания PMCH (Physical Multicast Channel). Оставшиеся три физических канала: физический управляющий канал индикатора формата PCFICH (Physical Control Format Indicator Channel), физический нисходящий управляющий канал PDCCH (Physical Downlink Control Channel) и физический канал индикатора гибридного запроса на повторение PHICH (Physical Hybrid ARQ Indicator Channel) являются автономными, т. е. на них транспортные каналы не отображаются. Каналы PDCCH и PCFICH используется для информирования ПТ о выделении ресурсов для транспортных каналов PCH и DL-SCH, а также параметров модуляции и кодирования. Канал PHICH, как следует из его названия, используется для передачи запросов на повторную передачу.
        
Рисунок 8 - Каналы в восходящем направлении
        На восходящем направлении имеются три логических канала, из которых два управляющих и один для трафика, два транспортных канала и три физических. Как и для нисходящего направления, логические общий CCCH и выделенный DCCH управляющие каналы используются для передачи служебной информации между сетью и ПТ, соответственно, не имеющим либо имеющим RRC-соединение. Также аналогично нисходящему направлению, определён логический выделенный канал трафика DTCH, предназначенный для передачи пользовательской информации одному ПТ. Все три логических канала отображаются в один транспортный восходящий совместный канал UL-SCH (Uplink Shared Channel), поддерживающий адаптивные методы модуляции и кодирования, управление мощностью, гибридные автоматические запросы на повторение, полустатическое / динамическое распределение ресурсов. Другой транспортный канал восходящего направления — канал случайного доступа RACH (Random Access Channel) используется для передачи определённой информации (запроса на предоставление выделенного канала) от ПТ с возможностью возникновения коллизий, когда подобный запрос поступает от других ПТ. Транспортный канал RACH отображается на физический канал случайного доступа PRACH (Physical Random Access Channel), который переносит соответствующую преамбулу случайного доступа. Транспортный канал UL-SCH отображается на физический восходящий совместный канал PU-SCH (Physical Uplink Shared Channel). Оставшийся физический восходящий управляющий канал PU-CCH (Physical Uplink Control Channel) является автономным — на него не отображаются транспортные каналы. Он используется для передачи отчётов об индикации качества нисходящего канала, запросов на порядок следования пакетов данных и др.



    Список используемой литературы: