Физический уровень стандарта LTE

Стандарт радиодоступа 4G LTE

Переход от UMTS к LTE

Разработка первой фазы стандарта LTE (Long Term Evolution) была завершена к 2008г. Ей предшествовало развитие технологии HSPA (High Speed Packet Access) в стандарте UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) [1] и появление стандарта широкополосного беспроводного радиодоступа IEEE802.16e – мобильного WiMAXa. В LTE, как и в WiMAX, на физическом уровне применена технология OFDM, а из HSPA UMTS взято адаптивное управление пакетной передачей в реальном времени с использованием технологии HARQ, многие протоколы уровней L2 и L3. Поэтому LTE является развитием стандартов 3GPP на пути к стандартам 4-го поколения. Главное отличие стандарта LTE от UMTS состоит в резком увеличении рабочей полосы (от 3,84 МГц в UMTS до 10 – 20 МГц в LTE), что и обуславливает увеличение скоростей передачи во много раз. Спецификации LTE впервые появляются в Rel.8 3GPP, развиваясь далее в Rel.9. В настоящее время завершается работа над Rel.10 LTE-A (LTE-Advanced), где сквозная пропускная способность возрастает с 200 до 800 Мбит/с.

Сети LTE ориентированы на использование глобальной пакетной сети GSM/UMTS для организации глобального роуминга. Напомним структуру сети GSM/UMTS (рис.1.1). Её отличительной чертой является использование универсальных интерфейсов Iu для связи ядра сети с обеими подсистемами радиодоступа: GERAN и UTRAN. Следует также отметить, что при пакетной передаче в пользовательской плоскости интерфейсы Gn и Iu(PS) построены как туннельные соединения (рис.1.2).

Рис.1.1. Архитектура интегральной сети UMTS и GSM

Рис.1.2. Структура туннельного протокола

Технологии высокоскоростной пакетной передачи, предлагаемые в 3GPP Rel.7, получили название HSPA+. В HSPA+ пиковая скорость вниз может быть увеличена до 28,8 Mбит/с при применении многоантенных систем (технология MIMO), а вверх до скорости 11,5 Мбит/с. В Rel.6 B = 10,8 Мбит/с при R_кода = ¾ и использовании 16-КАМ, а при R_кода =1 B = 14,4 Мбит/с. В Rel.7 добавлена модуляция 64-КАМ, что позволяет увеличить скорость передачи в 1,5 раза. При переходе от 4-ФМ к 16-КАМ требования к отношению сигнал/помеха при приеме сигнала возрастают на 6 дБ, и при переходе от 16-КАМ к 64-КАМ еще на 6 дБ.

Применение многоантенных систем позволяет реализовать следующие технологии

- разнесенный прием (одна передающая антенна и несколько приемных);

- пространственно-временное кодирование (несколько передающих антенн и одна или несколько приемных);

- пространственное мультиплексирование (несколько передающих и несколько приемных антенн).

Последние 2 технологии реализованы в структурах MIMO (multiple input – multiple output).

Рассмотренные методы увеличения скорости передачи при HSDPA привели к расширению списка категорий мобильных станций, поддерживающих ПО Rel.7 (табл.1.1). По сравнению с Rel.6 в табл.1 добавлены категории станций 13 -18, поддерживающих модуляцию 64-КАМ и MIMO. . В результате пиковая скорость вниз при 64-КАМ возрастает до 21,1 Мбит/с, а с MIMO до 28 Мбит/с. Теоретически комбинация 2×2 MIMO и 64-КАМ может поднять пиковую скорость до 40 Мбит/с, но эта комбинация в Rel.7 не предусмотрена. В HSUPA использование 16-КАМ увеличивает скорость передачи до 11,5 Мбит/с.

Таблица 1.1

Категория UE в режиме HSDPA	Модуляция; максимальное число принимаемых кодов;	Максимальное число бит в HS-DSCH транспортном блоке одного 2 мс субкадра; минимальный интервал между субкадрами	Максимальная скорость передачи данных, Мбит/с
Категория 1	4-ФМ, 16-КАМ; 5	7298; 3	1,2
Категория 2	4-ФМ, 16-КАМ; 5	7298; 3	1,2
Категория 3	4-ФМ, 16-КАМ; 5	7298; 2	1,8
Категория 4	4-ФМ, 16-КАМ; 5	7298; 2	1,8
Категория 5	4-ФМ, 16-КАМ; 5	7298; 1	3,6
Категория 6	4-ФМ, 16-КАМ; 5	7298; 1	3,6
Категория 7	4-ФМ, 16-КАМ; 10	14411; 1	7,2
Категория 8	4-ФМ, 16-КАМ; 10	14411; 1	7,2
Категория 9	4-ФМ, 16-КАМ; 15	20251; 1	10,2
Категория 10	4-ФМ, 16-КАМ; 15	27952; 1	14,4
Категория 11	4-ФМ; 5	3630; 2	0,9
Категория 12	4-ФМ; 5	3630; 1	1,8
Категория 13	4-ФМ, 16-КАМ, 64-КАМ; 15	35280; 1	17,6
Категория 14	4-ФМ, 16-КАМ, 64-КАМ; 15	42192; 1	21,1
Категория 15	4-ФМ, 16-КАМ; 15	23370; 1	MIMO – 23,4
Категория 16	4-ФМ, 16-КАМ; 15	27952; 1	MIMO – 28,0
Категория 17	4-ФМ, 16-КАМ, 64-КАМ; 15	35280; 1	17,6
4-ФМ, 16-КАМ; 15	23370; 1	MIMO – 23,4
Категория 18	4-ФМ, 16-КАМ, 64-КАМ; 15	42192; 1	21,1
4-ФМ, 16-КАМ; 15	27952; 1	MIMO – 28,0

В Rel.7 предусмотрена возможность постепенного изменения структуры сети на пути от UTRAN к LTE (Long-Term Evolution) – рис.1.4 [3].

Рис.1.4. Изменение архитектуры сети от Rel.6 до Rel.8

Как было сказано, архитектура LTE в Rel.8 предусматривает упрощение структуры сети до двух элементов: шлюза доступа (a-GW) в ядре сети и модифицированного узла базовых станций eNodeB. Access Gateway (a-GW) содержит ПО протокольного уровня MME (Mobility Management Entity) и ПО пользовательской плоскости шлюза. В рассматриваемой архитектуре сети существенно снижается задержка при передаче пакетного трафика. В Rel.7 предусмотрен последовательный переход от Rel.6 к Rel.8. На первом этапе в пользовательской плоскости устраняют буферизацию трафика в SGSN: через него проходит сквозной туннель от GGSN к RNC. Далее функции контроллера на уровнях RLC и MAC обработки пакетного трафика передают в NodeB, где и происходит принятие решения о выделении канального ресурса и организации пакетной передачи с использованием технологий HSPA.

E-UTRA – эволюция 3GPP UMTS. E-UTRA включает в себя сеть радиодоступа E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network)и новую системную архитектуру Evolved Packet Core (EPC). Полное описание структуры сети и принципов ее функционирования приведено в [9].

E-UTRAN построена как совокупность новых базовых станций eNB (E-UTRAN NodeB или eNodeB), где соседние eNB соединены между собой интерфейсом Х2. eNB подключены к EPC посредством интерфейса S1.На рис.1.5 показано взаимодействие новых элементов сети: S-GW (Serving Gateway) – обслуживающих шлюзов, содержащих ПО управления по протоколу ММ (MME – Mobility Management Entity), с eNodeB

Рис.1.5. Взаимодействие eNB с сетью и обслуживающими шлюзами

В сети радиодоступа радиоинтерфейс между UE и eNB осуществлен на основе технологии OFDM. 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).

Структура сети LTE

Задачей технологии LTE является создание архитектуры пакетного радиодоступа для сетей сотовой связи и беспроводного доступа на уровне стандарта WiMAX.

Архитектура E-UTRAN представлена на рис. 2.1 [10]. Она включает в себя ядро пакетной сети EPC (Evolved Packet Core), модернизированные eNB и интерфейсы S1 и X2.

Рис. 2.1. Базовая архитектура сети E-UTRAN

EPC состоит из шлюзов доступа, которые для обслуживаемых ими eNB и абонентских устройств становятся S-GW (Serving Gateway). eNB аккумулируют функции существующих Node B и контроллеров RNC, касающиеся обработки пакетного трафика и выделения канального ресурса. В E-UTRAN выдержан принцип логического разделения транспортных сетей передачи данных и сигнализации. Стек протоколов плоскости управления интерфейса S1: S1-MME (Mobility Management Entity) приведен на рис.2.2а, а стек протоколов в пользовательской плоскости (туннельный протокол на уровне L2) на рис.2.2б.

a) б)

Рис.2.2. Интерфейс S1

Подуровни L2 SCTP (Stream Control Transmission Protocol) и IP поддерживают стандартный транспорт для передачи сигнальных сообщений. В частности, SCTP обеспечивает надежность передачи и последовательность доставки сообщений.

Аналогичным образом построен и интерфейс Х2 (рис.2.3).

Рис.2.3. Интерфейс Х2

Структура сети LTE приведена 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, EIR сетей GSM/UMTS.

Рис.2.5. Структура сети LTE

Рассмотрим взаимодействие узла базовых станций eNB с элементами ядра сети LTE [10]. 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.

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,

- установка 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. 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 входит обеспечивает качественные характеристики услуг на внешнем соединении через интерфейс Sgi и фильтрацию пакетов данных. 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 [12]. 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 [13].

Сети E-UTRAN (LTE), как правило, строят во взаимодействии с действующими сетями с коммутацией пакетов стандартов GERAN/UTRAN. Структура интегральной сети GERAN/UTRAN/E-UTRAN показана на рис.2.6 В этой сети MME и SGSN связаны сигнальным интерфейсом S3, а трафик в подсеть GERAN/UTRAN следует через S-GW и PDN GW.

Рис.2.6. Интегральная сеть GERAN/UTRAN/E-UTRAN

В сети UTRAN на рис.2.6 показано прямое туннельное соединение в пользовательской плоскости между S-GW и RNC посредством интерфейса S12. Такое соединение возможно при использовании в сети UTRAN оборудования Rel.7 и последующих релизов. Возможно и непрямое соединение, когда передачу пакетов трафика осуществляют по двум последовательным туннелям S-GW ↔ SGSN, SGSN ↔ RNC.

Интерфейс S4 позволяет осуществлять межсистемный хэндовер, т.е. переключение в процессе передачи трафика UE из сети E-UTRAN в GERAN/UTRAN и обратно.

Физический уровень стандарта LTE