Канальный ресурс и его характеристики

Сети стандарта LTE

Структура сети LTE представлена на рис.2.5. Ядро сети EPC (Evolved Packet Core) (рис.2.5) состоит из обслуживающего шлюза S-GW (Serving Gateway), шлюза для выхода на пакетные сети P-GW (Packet Data Network Gateway), структуры управления по протоколу Mobility Management MME (Mobility Management Entity), связанной с S-GW и eNodeB сигнальными интерфейсами. На рис. 2.5 соединения для передачи данных показаны толстыми линиями, сигнальные соединения – тонкими сплошными. Пунктиром обозначены сигнальные соединения к опциональным функциональным узлам: другим MME и PCRF (Policy and Charging Resource Function). MME имеет прямой выход на домашний сервер HSS (Home Subscribe Server), выполняющий функции HLR сетей GERAN/UMTS.

В сети радиодоступа радиоинтерфейс между UE и eNB осуществлен на основе технологии OFDMA. Работа EPC основана на технологии IP; при этом обеспечено взаимодействие с 3GPP, WiMAX и Wi-Fi. Такую структуру относят к All-IP Network (AIPN). В результате создана архитектура сети, позволяющая увеличить скорости передачи данных, уменьшить задержки, поддерживать различные технологии радиодоступа, включая MIMO. Полученный стандарт получил название LTE (Long Term Evolution).

Рассмотрим взаимодействие узла базовых станций eNB с элементами ядра сети LTE. eNB объединяет в себе функции базовых станций и контроллеров сетей 3-го поколения:

- обеспечивает передачу трафика и сигнализации по радиоканалу,

- управляет распределением радиоресурсов,

- обеспечивает сквозной канал трафика к S-GW,

- поддерживает синхронизацию передач и контролирует уровень помех в соте,

- обеспечивает шифрацию и целостность передачи по радиоканалу,

- выбирает MME и организует сигнальный обмен с ним,

- производит сжатие заголовков IP-пакетов,

- поддерживает услуги мультимедийного вещания,

- при использовании структуры с усилителями мощности на антенной мачте организует управление антеннами по специальному интерфейсу Iuant.

 

Рис.2.5. Структура сети LTE

 

Интерфейс S1, как показано на рис.2.5, поддерживает передачу данных с S-GW и сигнализации через ММЕ. Отметим, что eNB может иметь соединения с несколькими S-GW (рис.1.5).

Интерфейсы X2 используют для организации хэндоверов между соседними базовыми станциями, в том числе и при балансировке нагрузки между ними. При этом интерфейсы Х2 могут быть логическими, т.е. для их организации не обязательно реальное физическое соединение между eNB.

В функции обслуживающего шлюза S-GW входит:

- маршрутизация передаваемых пакетов данных,

- поддержка качественных показателей (QoS) предоставляемых услуг,

- буферизация пакетов для UE, пребывающих в состоянии Idle Mode,

- предоставление учетных данных для тарификации и оплаты выполненных услуг.

S-GW является якорной структурой, обеспечивающей мобильность абонентов. Каждую работающую UE обслуживает определенный S-GW, находящийся в визитной сети. Теоретически UE может быть связана с несколькими пакетными сетями; тогда ее будут обслуживать несколько серверов S-GW.

Шлюз для выхода на пакетные сети P-GW организует точку доступа к внешним IP-сетям. Соответственно P-GW является якорным шлюзом для обеспечения трафика. Если абонент имеет статический IP-адрес, то P-GW его активизирует. В случае, если абонент должен получить на время сеанса связи динамический IP-адрес, P-GW запрашивает его с сервера DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) или сам выполняет необходимые функции DHCP, после чего обеспечивает доставку IP-адреса абоненту. В состав P-GW входит PCEF (Policy and Charging Enforcement Function), который обеспечивает качественные характеристики услуг на внешнем соединении через интерфейс SGi и фильтрацию пакетов данных. Шлюз P-GW обычно находится в домашней сети абонента, хотя это не является обязательным. При обслуживании абонента в домашней сети функции P-GW и S-GW могут выполнять как два разных, так и одно устройство. Интерфейс S5 представляет собой туннельное соединение GPRS или Proxy Mobile IPv6. Если P-GW и S-GW находятся в разных сетях (например, при обслуживании абонента в роуминге), то интерфейс S5 заменяют интерфейсом S8.

Управляющий блок ММЕ прежде всего поддерживает выполнение процедур протокола Mobility Management: обеспечение безопасности работы в сети при подключении UE и выбор S-GW, P-GW. ММЕ связан с HSS своей сети посредством интерфейса S6a. Интерфейс S10, соединяющий различные ММЕ, позволяет обслуживать UE при перемещениях абонента, а также при его нахождении в роуминге.

Policy and Charging Resource Function (PCRF) по сути представляет собой управляющий сервер, обеспечивающий централизованное управление ресурсами сети, учет и тарификацию предоставляемых услуг. Как только появляется запрос на новое активное соединение, эта информация поступает на PCRF. Он оценивает имеющиеся в его распоряжении ресурсы сети и направляет в PCEF шлюза P-GW команды, устанавливающие требования к качеству услуг и к их тарификации.

 

Канальный ресурс и его характеристики

На физическом уровне (на радиоинтерфейсе) в стандарте E-UTRA используют технологию OFDM с модуляцией 4-ФМ, 16-КАМ и 64-КАМ. При этом максимальное число поднесущих частот в рабочей полосе 20 МГц достигает 1200.

Структура кадра при работе с частотным дуплексом показана на рис.3.1. Кадр состоит из 20 временных слотов длиной 15360×Ts = 0,5мс, пронумерованных от 0 до 19. Два последовательных слота составляют 1 субкадр – всего 10 субкадров, от 0 до 9 (рис.3.2).

 

Рис.3.1. Структура кадра при частотном дуплексе

Рис.3.2. Конфигурация кадра при частотном дуплексе

 

Перейдем к частотно-временным характеристикам физического уровня стандарта E-UTRA. При расстоянии между поднесущими ∆F = 15 кГц длина OFDM-символа составляет 1/∆F ≈ 66,7 мкс. В каждой половине субкадра (слоте длиной 0,5мс) передают 6 или 7 OFDM-символов в зависимости от длительности циклического префикса СР (cyclic prefix) ‒ активной паузы между символами. Длительность циклического префикса T_CP составляет 160Тs ≈5,2 мкс перед первым символом и 144Тs ≈4,7мкс перед остальными символами. Возможен вариант использования расширенного СР длительностью 512 Тs ≈16,7мкс. В этом случае в одном субкадре размещают 6 OFDM-символов (рис.3.4).

 

Рис.3.4. Структура слота на физическом уровне

Весь канальный ресурс разделяют на ресурсные блоки (РБ). Ресурсный блок состоит из 12 расположенных рядом поднесущих, занимающих полосу 180 кГц, и одного временного слота (7 или 6 OFDM-символов на интервале 0,5 мс). Каждый OFDM-символ является ресурсным элементом (РЭ); его характеризуют 2 параметра {k,l}, где k определяет номер поднесущей, а l ‒ номер символа в ресурсном блоке. При передаче вниз, от eNB к UE, в каждом блоке из 12×7 = 84 РЭ часть ресурсных элементов используют для передачи опорных (reference) символов (рис.3.5). Выделяемый канальный ресурс определяют числом ресурсных блоков или групп ресурсных блоков.

Рис.3.5. Структура ресурсного блока при передаче вниз

Реальная скорость передачи уменьшается из-за передачи опорных символов и управляющих каналов. Опорные символы используют для организации когерентной демодуляции и оценки каналов. При передаче вниз на базовой станции могут работать до 4-х антенн. При этом каждой антенне выделены фиксированные ресурсные элементы для передачи опорных символов. Расположение опорных символов в ресурсном блоке показано на рис.3.6. Символы, помеченные R0, передает антенна 0, символы R1 – антенна 1, R2 – антенна 2, R3 – антенна 3. Снижение пропускной способности ресурсного блока (в процентах) из-за передачи опорных символов приведено в табл. 3.3.

 

Таблица 3.3

	Нормальный СР	Расширенный СР
1 перед. антенна	4,76	5,56
2 перед. антенны	9,52	11,11
4 перед. антенны	14,29	15,87

 

Рис.3.6. Позиционирование опорных символов в ресурсном блоке при

передаче вниз

Сквозная скорость при передаче “вниз” в зависимости от используемых модуляционно-кодирующих схем. Представлена в табл. 3,13.

Таблица 3.13

Индекс CQI	Модуляция	Rкод (Скорость кода)	Кол-во бит на символ	Сквозная скорость, Мбит/с
50 РБ	100 РБ
	4-ФМ	0,08		0,95	1,91
	4-ФМ	0,12		1,46	2,94
	4-ФМ	0,19		2,35	4,73
	4-ФМ	0,3		3,75	7,54
	4-ФМ	0,44		5,47
	4-ФМ	0,59		7,34	14,74
	16-КАМ	0,37		9,21	18,52
	16-КАМ	0,48		11,94
	16-КАМ	0,6		15,02	30,17
	64-КАМ	0,46		17,04	34,24
	64-КАМ	0,55		20,73	41,66
	64-КАМ	0,65		24,35	48,94
	64-КАМ	0,75		28,23	56,72
	64-КАМ	0,85		31,92	64,15
	64-КАМ	0,93		34,66	69,66