Новые технологии в стандарте LTE-A

Релизы стандарта E-UTRA, начиная с 10 релиза, позволяют увеличить скорость передачи данных в разы, используя пространственное мультиплексирование (до 8 независимых потоков данных) и агрегацию частотных полос. При агрегации полос приемник абонентской или базовой станций принимает одновременно несколько независимых сигналов в разных частотных полосах, которые могут располагаться в одном диапазоне или в разных диапазонах (рис. 6.11). Теоретически число агрегируемых полос может достигать 8 и более. Если приемник UE будет принимать 4 полосы по 20 МГц (т.е. суммарную полосу в 80 МГц), то при MIMO 4×4 и скорости передачи в одной полосе 75 Мбит/с, получим суммарную скорость сброса информации 1200 Мбит/с, что соответствует требованиям, предъявляемым к сетям радиодоступа 4 поколения: 1 Гбит/с вниз для медленно перемещающихся абонентов. Фактически в Rel.13 специфицирована абонентская аппаратура, способная принимать до 4 частотных полос шириной 20 МГц[6]. Варианты аппаратуры, способной принимать 5 и более полос, пока находятся на стадии разработки.

Особо следует сказать о диапазоне 46, введенном в Rel.13.1. Это нелицензированный диапазон, где работают сети Wi-Fi стандартов IEEE 802.11a, n, ac. Речь идет о технологии LAA (Licensed Assisted Access), где для увеличения пропускной способности вниз в качестве вторичных сот используют соты полосой в 20 МГц, по частотам совпадающие с каналами, выделенными для Wi-Fi. Передача вверх в этих сотах не предусмотрена. При этом возможна совместная работа в одном частотном канале двух сетей: LTE и Wi-Fi. Чтобы не допустить одновременного занятия частотного канала станциями двух стандартов в Rel.13 спецификаций LTE предусмотрена процедура LBT (Listen Before Talk) по аналогии с процедурой прослушивания канала в сетях Wi-Fi.

Рис. 6.11. Виды агрегации полос

Начиная с Rel.12, для повышения скорости передачи данных вниз введены модуляционно-кодирующие схемы с модуляцией 256-КАМ (таблица 6.6).

Таблица 6.6

CQI индекс	Модуляция	Rкод x 1024	Эффективность
	Не используют
	4-ФМ		0,1523
	4-ФМ		0,3770
	4-ФМ		0,8770
	16-КАМ		1,4766
	16-КАМ		1,9141
	16-КАМ		2,4063
	64-КАМ		2,7305
	64-КАМ		3,3223
	64-КАМ		3,9023
	64-КАМ		4,5234
	64-КАМ		5,1152
	256-КАМ		5,5547
	256-КАМ		6,2266
	256-КАМ		6,9141
	256-КАМ		7,4063

Характеристики абонентской аппаратуры, соответствующие Rel.13, представлены в табл. 6.7 – 6.9.

Таблица 6.7

Категория UE	Параметры физического уровня вниз	Параметры физического уровня вверх	Параметры L2
Макс. число бит в канале DL-SCH в cубкадре¹	Макс. число бит в блоке DL-SCH в cубкадре²	Макс. число бит, обрабатыв. при HARQ	Макс. число слоев при MIMO	Макс. число бит в канале UL-SCH в cубкадре	Модуляция 64-КАМ вверх	Объем буфера в кбайт
						нет
						нет
						нет	1 400
						нет	1 900
						есть	3 500
		149776 (4 слоя) 75376 (2 слоя)		2 или 4		нет	3 300
		149776 (4 слоя) 75376 (2 слоя)		2 или 4		нет	3 800
						есть	42 200
		149776 (4 слоя) 75376 (2 слоя)		2 или 4		нет	4 800
		149776 (4 слоя) 75376 (2 слоя)		2 или 4		нет	5 200
		149776 (4 слоя – 64-КАМ) 195816(4 слоя – 256-КАМ) 75376 (2 слоя-64-КАМ) 97896 (2 слоя – 256-КАМ)		2 или 4		нет	6 200
		149776 (4 слоя – 64-КАМ) 195816(4 слоя – 256-КАМ) 75376 (2 слоя-64-КАМ) 97896 (2 слоя – 256-КАМ)		2 или 4		нет	6 700

Начиная с Rel.12, кроме таблицы 6.7, специфицирующей категории мобильных терминалов LTE вниз и вверх, введена альтернативная категоризация UE отдельно по направлениям вниз и вверх. В табл. 6.8 представлены категории UE вниз, а в табл. 6.9 – вверх. Категории 0 и М1UE введены для использования в сетях М2М с низкоскоростным трафиком.

Таблица 6.8

Категория UE вниз (DL)	Макс. число бит в канале DL-SCH в cубкадре¹	Макс. число бит в блоке DL-SCH в cубкадре²	Макс. число бит, обрабатыв. при HARQ	Макс. число слоев при MIMO
DL Категория М1*
DL Категория 0
DL Категория 6		149776 (4 слоя) 75376 (2 слоя)		2 или 4
DL Категория 7		149776 (4 слоя) 75376 (2 слоя)		2 и ли 4
DL Категория 9		149776 (4 слоя) 75376 (2 слоя)		2 или 4
DL Категория 10		149776 (4 слоя) 75376 (2 слоя)		2 или 4
DL Категория 11		149776 (4 слоя, 64-КАМ) 195816 (4 слоя, 256-КАМ) 75376 (2 слоя, 64-КАМ) 97896 (2 слоя, 256-КАМ)		2 или 4
DL Категория 12		149776 (4 слоя, 64-КАМ) 195816 (4 слоя, 256-КАМ) 75376 (2 слоя, 64-КАМ) 97896 (2 слоя, 256-КАМ)		2 или 4
DL Категория 13		195816 (4 слоя) 97896 (2 слоя)		2 или 4
DL Категория 14
DL Категория 15	749856-798800	149776 (4 слоя, 64-КАМ) 195816 (4 слоя, 256-КАМ) 75376 (2 слоя, 64-КАМ) 97896 (2 слоя, 256-КАМ)		2 или 4
DL Категория 16	978960 -1051360	149776 (4 слоя, 64-КАМ) 195816 (4 слоя, 256-КАМ) 75376 (2 слоя, 64-КАМ) 97896 (2 слоя, 256-КАМ)		2 или 4
DL Категория 17		391656 (8 слоёв, 256-КАМ)
DL Категория 18	1174752-1206016	299856 (8 слоев, 64-КАМ) 391656 (8 слоёв, 256-КАМ)] 149776 (4 слоя, 64-КАМ) 195816 (4 слоя, 256-КАМ) 75376 (2 слоя, 64-КАМ) 97896 (2 слоя, 256-КАМ)		2 или 4 [или 8]
DL Категория 19	1566336 -1658272	299856 (8 слоев, 64-КАМ) 391656 (8 слоёв, 256-КАМ)] 149776 (4 слоя, 64-КАМ) 195816 (4 слоя, 256-КАМ) 75376 (2 слоя, 64-КАМ) 97896 (2 слоя, 256-КАМ)		2 или 4 [или 8]
* Станции категории М1 предназначены для работы в сетях М2М в узкополосном режиме с полосой 1,4 МГц

Таблица 6.9

Категория UE вверх (UL)	Макс. число бит в канале UL-SCH в cубкадре	Макс. число бит в блоке UL-SCH в cубкадре²	Модуляция 64-КАМ вверх
UL Категория М1			нет
UL Категория 0			нет
UL Категория 3			нет
UL Категория 5			есть
UL Категория 7			нет
UL Категория 8			есть
UL Категория 13			есть
UL Категория 14			есть

В Rel.13 также представлена новая технология LWA (LTE - WLAN Aggregation), позволяющая объединять работу сетей LTE и Wi-Fi. При этом сети LTE могут использовать частотные каналы сетей Wi-Fi в диапазоне 5 ГГц.

Другой характерной чертой сетей 4 поколения является неоднородность их структур. Наряду с макросетью, покрывающей большие территории, предполагается развертывание малых сот в местах повышенной плотности трафика, прежде всего, в домах, учреждениях и т.п. Малые соты могут быть организованы по той же структуре, как и макросоты (микро и пикосоты) или как фемтосоты.

Фемтосота (femtocell) ‒ это сота небольшого размера, устанавливаемая в квартире или офисе и обслуживаемая маломощной базовой станцией сотовой связи (мощность передатчика до 20 мВт). Такую станцию называют домашней базовой станцией Home eNodeB (HeNB).

Архитектура сети E-UTRAN с фемтосотами приведена на рис. 6.12.

Рис.6.12. Архитектура E-UTRAN с фемтосотами

Так как домашняя базовая станция располагается близко от мобильного терминала, последний работает с пониженной мощностью передатчика и значительно медленнее расходует заряд батареи. Как правило, в пределах комнаты на приемники UE и HeNB приходят радиосигналы с низким затуханием, что обеспечивает высокие отношения сигнал/помеха на входах приемников. Это дает возможность использовать в радиоканале высокоэффективные модуляционно-кодирующие схемы и технологии пространственного мультиплексирования, что позволяют увеличить число подписчиков на высокоскоростные услуги 4G. Фемтосоты также применяют для локального расширения зоны действия сети в зонах сильного затухания сигнала или даже за пределами радиуса действия основной сети.

Фемтосоты отличаются от макро – пикосот разделением абонентов на группы и категории в зависимости от их прав на подключение к HeNB. Есть фемтосоты, доступные для всех категорий абонентов, а есть фемтосоты, доступные только для закрытых групп пользователей CSG (Closed Subscriber Group). Такие фемтосоты подключают только тех абонентов, которые прописаны в их HeNB. Каждой CSG оператор присваивает специальный идентификатор CSG ID. Наконец, есть фемтосоты с гибридным доступом (Hybrid Access). Такие соты доступны всем пользователям, но абонентам, которые в них прописаны (т.е. входящим в соответствующие CSG), предоставляют приоритетное обслуживание.

Подключение фемтосот к сети осуществляют, как правило, через специальный фемтошлюз HeNB Gateway (GW), рис. 6.12.

Наконец, начиная с 2016г. операторы LTE стали внедрять на действующих сетях услугу мультимедийного вещания (eMBMS - Evolved Mutimedia Broadcast Multicast Service). В сетях радиодоступа передача видеотрафика занимает всё бóльшее место. При этом существуют три способа получения абонентами видеотрафика: одноадресный (unicast), широковещательный (broadcast) и групповой (multicast). Одноадресный способ используют все абоненты при подключении к сети LTE. Широковещательной рассылкой, например, является телевещание. Адресатами многоадресной рассылки (групповой вариант) являются пользователи, заранее оформившие подписку на конкретную услугу. При этом видеотрафик сбрасывают только в те соты, где находятся абоненты, запросившие данную услугу, и соты, куда они могут перемещаться в процессе движения.

Технология eMBMS подразумевает использование широковещательного или группового способа. Она эффективна, когда большое количество пользователей, находящихся в определенной географической зоне, запрашивает одновременно одинаковый контент. Использование одноадресной рассылки в этом случае требует значительных ресурсов радиосети и ядра сети, что приводит к перегрузкам сети и снижению качественных показателей.

Архитектура сети LTE при организации MBMS приведена на рис. 6.13.

Рис. 6.13. Архитектура сети LTE с поддержкой eMBMS

Опишем новые функциональные элементы и интерфейсы, обеспечивающие передачу еMBMS.

Центральным элементом архитектуры является Центр услуг MBMS: BM-SC (Broadcast/Multicast Service Center). Он принимает от провайдера и передаёт в сеть MBMS-контент, управляет широковещательными сессиями (сеансами) связи, ведёт учёт трафика, хранит базу подписчиков и расписание вещательных услуг, осуществляет доставку информации о наличии и начале сеансов связи абонентам, подписавшимся на услуги MBMS. Каждой сессии MBMS BM-SC назначает идентификатор сессии и класс обслуживания QoS. BM-SC также обеспечивает недоступность передач MBMS для абонентов вне списка подписчиков, организуя шифрацию контента и распределение ключей для его дешифрации по абонентским терминалам.

MBMS-шлюз (MBMS-GW) распределяет контент по базовым станция, входящим в область вещания. При получении трафика по интерфейсу SGi-mb MBMS-GW выделяет IP-multicast адрес и рассылает принятые данные на соответствующие eNB по интерфейсу М1. MBMS-GW может быть отдельным сетевым элементом или элементом, совмещённым с BM-SC, S-GW или PDN-GW.

MCE (Multi-cell/multicast Coordination Entity) может быть отдельным сетевым элементом или встроенным в eNB. MCE выполняет следующие функции:

– управление доступом и выделение радио ресурсов в тех eNB, которые передают MBMS;

– выбор модуляционно-кодирующей схемы (MCS);

– хранение и распределение приоритетов контента ARP (Allocation and Retention Priority). На основании ARP MCE может отказать в предоставлении новой услуги MBMS при недостатке радио ресурса или отобрать часть ресурсов от одной услуги MBMS в пользу другой;

– инициирование и проведение подсчёта числа пользователей услугами MBMS;

– прекращение или возобновление услуги MBMS в зависимости от числа пользователей и приоритета ARP.

В технологии eMBMS не предусмотрено повторной передачи непринятых пакетов (HARQ). С целью поддержки гарантированного качества услуг QoS используют избыточное кодирование. Модуляционно-кодирующую схему для передачи данных MBMS выбирают, исходя из наихудших условий в соте. Таким образом, сервис остаётся доступным абонентам, находящимся на границе соты или в зоне слабого покрытия сети. В ряде услуг MBMS возможен запрос недостающих сегментов файла путём обычного одноадресного соединения с сервером, но этот алгоритм может быть запущен только после окончания сессии.

При использовании классического вещания оператор не может определить качество предоставленных услуг каждому пользователю. Поэтому в eMBMS предусмотрен сбор пользовательских отчетов QoE (Quality of Experience), которые содержат количество потерянных потоковых HTTP-сегментов. Каждый пользовательский терминал отправляет эти отчёты посредством одноадресного соединения

Особенностью eMBMS является синхронное вещание, когда передачи в соседних сотах ведут, используя одни и те же ресурсные блоки и синхронизируя передаваемые сигналы. Это приводит к снижению помех и увеличению уровня принимаемого сигнала на границе сот.

[1] GSM – Global System for Mobile Communications, UMTS – Universal Mobile Telecommunications System

[2] Согласно спецификациям стандарт называется UTRA-FDD (Universal Terrestrial Radio Access – Frequency Division Duplex)

[3] Один из двух возможных вариантов

[4] Один из двух возможных вариантов

[5] При использовании MIMO для некоторых категорий станций число форматов сокращено до 15.

[6] В Rel.13 прописаны отдельные варианты агрегации частотных полос до 100 МГц.