Maros Dóra LTE architektúra 2012

Fejlődési irányok a 3G után 3G hálózatok kapacitása végesnek bizonyult Előfizetői igények nőnek Fejlesztés szükséges: Növelni a meglévő rendszer spektrális hatékonyságát 3G Nagyobb sávszélességet támogató új rendszer kialakítása LTE

1. 3G fejlesztése Spektrális hatékonyság növelése: Magasabb rendű modulációk DL: 64QAM, UL: 16QAM Többantennás megoldások MIMO (Multiple Input Multiple Output) antenna 2 vivőfrekvenciás működés bevezetése Szomszédos sávok szimultán használata

1. 3G fejlesztése - 2 Előnyök: Hátrányok: Fejlesztések fokozatosan bevezethetők Szoftverfrissítéssel megoldható Új hardver nem feltétlen szükséges Visszafelé kompatibilitás biztosított Hátrányok: 5 MHz-es sávok adottak Csatornakiegyenlítés 5MHz felett bonyolult, drága UMTS csatornák nem összefoghatóak Áramkörkapcsolt szolgáltatások támogatása

2. Új rendszer kialakítása Új elvek alkalmazhatóak: Korszerű rádiós technológia Tisztán IP hálózati kialakítás Előnyök: 3G-hez képest szélesebb frekvenciasávok használata Rugalmas sávkiosztás lehetősége Csatornaviszonyokhoz adaptív alkalmazkodás Hozzáférési sebességek rugalmas változtatása MIMO könnyebb megvalósítása OFDM-mel

2. Új rendszer kialakítása - 2 Hátrányok: Teljesen új hálózat kialakítása Kétmódú készülékek szükségessége a teljes lefedettség hiánya esetén Visszafelé kompatibilitás nincs Új rendszer: LTE – Long Term Evolution Vetálytárs (volt): Wimax

Az LTE rádiós követelményei Megnövelt fel- és letöltési maximális sebességek Legalább DL:100Mbps, UL: 50Mbps Skálázható csatorna sávszélességek: 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz Rel. 6 HSPA-hoz képest relatív javulás Spektrális hatékonyságban: UL:2-3x, DL:3-4x Cella széli átviteli sebességben:UL,DL:2-3x FDD és TDD támogatása Teljesen IP alapú hálózat 5ms alatti késleltetés kis IP csomagokra

Az LTE rádiós követelményei - 2 5 MHz-en legalább 200 előfizető kiszolgálása A maximális teljesítmény alacsony mobilitásra optimalizált: 0-15 km/h sebességig Nagyobb sebességek – korlátozások: 120 km/h-ig nagy teljesítmény, 350 km/h-ig kapcsolat működőképessége Együttműködés korábbi hálózatokkal Handover 3G és GSM felé (300, 500 ms késleltetéssel) Lefedettség: 5km-en belül javulás, 30km-en belül korlátozott Multicast/broadcast támogatása (MBMS)

LTE átviteli sebességek Maximális letöltési sebességek (FDD,TDD, 1-es típusú keret, 64QAM) Antenna konfiguráció SISO 2x2MIMO 4x4MIMO Max. sebesség (Mbps) 100 172.8 326.4 Maximális feltöltési sebességek (FDD/TDD, 1-es típusú keret, SISO) Moduláció típus QPSK 16QAM 64QAM 50 57.6 86.4 Maximális letöltési sebességek (TDD, 2-es típusú keret, 64QAM) Antenna konfiguráció SISO 2x2MIMO 4x4MIMO Max. sebesség (Mbps) 100 142 270 Maximális feltöltési sebességek (TDD, 2-es típusú keret, 64QAM) 50 62.7

LTE további jellemzői Többantennás megoldások támogatása MIMO – max. 4x4 Csatornaviszonyokhoz alkalmazkodás: Adaptív moduláció és csatornakódolás Gyors második rétegbeli újraküldés OFDM alapú rádiós interfész DL:OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) UL:Single Carrier-FDMA, más néven DFTS-OFDM (Discrete Fourier Transform Spread OFDM)

UMTS specifikációk fejlődése 3GPP release-k Release 99, 4- 3G (WCDMA) és fejlesztések Release 7-10: LTE (3,75G vagy 3,9G), LTE Advanced (a valódi 4G) UMTS specifikációk fejlődése Release Véglegesítés Főbb UMTS jellemzők Rel-99 March 2000 Basic 3.84 Mcps W-CDMA (FDD & TDD) Rel-4 March 2001 1.28 MMps TDD (aka TD-SCDMA) Rel-5 June 2002 HSDPA Rel-6 March 2005 HSUPA (E-DCH) Rel-7 December 2007 HSPA+ (64QAM downlink, MIMO, 16QAM uplink) LTE and SAE feasibility study Rel-8 December 2008 LTE work item – OFDMA/SC-FDMA air interface SAE work item – new IP core network Further HSPA improvements Rel 9-10!

3.75G - 3.9G - 4G 3GPP terminológa szerint : 3. generációs rendszerek továbbfejlesztett változatát tekinthetjük az LTE-nek A Release 8 szabvány szerinti mobil rendszerek számítanak az első LTE rendszereknek Az ITU-R szerint megfogalmazott 4. generációs követelményeket a Release 8 szerinti LTE nem teljesíti A valóban 4. generációs rendszernek csak az LTE-Advanced tekinthető (Rel.10)

SAE és a hálózat System Architecture Evolution (SAE) 3GPP projekt Célja: teljesen IP alapú, tisztán csomagkapcsolt gerinchálózat kialakítása: Evolved Packet Core (EPC) Az EPC és az evolved RAN = Evolved Packet System (EPS). RAN = E-UTRA és az E-UTRAN együtt LTE, E-UTRA, E-UTRAN, SAE, EPC és EPS mind utalhatnak a rendszerre, a helyes elnevezés az EPS lenne, de leggyakrabban az LTE használatos

SAE architektúra Fejlődés – egyszerűsödés: Csomagkapcsolt működésre optimalizált Válaszidő és késleltetés csökkenése

SAE architektúra Fő részei: Interfészek: maghálózat (Core Network, CN): EPC (Evolved Packet Core) rádiós hozzáférési hálózat Radio Access Network, RAN: E-UTRAN Interfészek: X2: új! eNodeB között ~3G Iur (RNC-k közti interfész) HSPA+-ban van hasonló S1: RAN – EPC közötti Mobility Management Entity (MME), Serving GateWay (S-GW) EPC

SAE architektúra

EPC Fejlett csomagkapcsolt maghálózat funkcionális architektúra egy csomópont végez minden maghálózati funkciót fizikailag viszont nem egy berendezés HSS megmaradt a korábbi hálózatokból: HLR és AuC funkciók Interfészek: EPC-HSS között: S6 EPC-Internet között: SGi

E-UTRAN változások Nincs makro diverzitás Nincs soft handover Komplex megoldás lenne, nincs akkora nyereség Nincs soft handover Csomagalapú átvitellel megoldható az adatvesztés elkerülése

eNB funkciók Radiós erőforrás menedzsment, handover IP fejléc tömörítés és titkosítás UE csatlakozásakor MME kiválasztása Felhasználói adatok továbbítása az S-GW felé Paging és broadcast üzenetek ütemezése és átvitele Mérések és kiértékelésük Mobilitás támogatására Ütemezéshez ETWS üzenetek ütemezése és átvitele Earthquake and Tsunami Warning System

MME funkciók: Fő vezérlő elem (több is lehet!) UE első csatlakozásakor Autentikációs és biztonsági feladatok Alvó módú UE Keresés és paging Handoverkor együttműködés más MME-vel Egy UE egy időben csak egy MME-hez kapcsolódik

S-GW funkciók Csomagtovábbítás EPC és eNB között (felh. síkon végpont) S1-U interfész felhasználó IP forgalmának alagutazása az eNB felé alagút: UE helyétől függő új IP fejléc Mobilitás menedzsment és handover funkciók Paging végzése

P-GW funkciók interfész más csomagkapcsolt hálózatok felé UE IP címének allokációja Felhasználónkénti csomagszűrés Törvényes lehallgatás LTE mobilitás fix pontja: Egy kapcsolat esetén a forgalom azonos P-GW-en keresztül megy, mozgástól függetlenül Mobilitás nyoma a CN-ben: cellaváltásoknál új alagút felépítése

SAE Roaming Két megvalósítás: Alapértelmezés szerint: a honos hálózat P-GW-én keresztül Idegen hálózathoz kapcsolódással

Roaming, honos hálózattal UE az idegen hálózathoz kapcsolódik Kommunikáció az idegen hálózati S-GW és honos P-GW között lévő az S8 interfészen Honos EPC jelöli ki az IP címet a UE számára Az idegen hálózati S-GW a honos P-GW felé továbbítja a UE csomagjait Honos P-GW-nél kerül ki a forgalom az EPC-ből Hátrány: nem eléggé hatékony a mobil IP háromszög routing problémája miatt Előny: a szolgáltató a saját előfizetőjét kontrollálhatja

Roaming, idegen hálózattal UE az idegen hálózathoz kapcsolódik Idegen EPC jelöli ki az IP címet a UE számára Előny: UE közvetlenül az idegen hálózaton keresztül kapcsolódik az Internethez Hátrány: nagyobb bizalom szükséges a szolgáltatók között Nincs közvetlen kontrollálhatóság a roamingoló UE felett

Maros Dóra LTE - Rádiós interfész 2012

Duplexitás LTE követelmény: FDD és TDD támogatása Maximálisan használható 20 MHz-es sáv Helyi frekvenciagazdálkodás miatt egységes sáv(ok) nem alakíthatók ki FDD/TDD adottság sokszor nem választható Páros és páratlan frekvenciasávok kerültek kijelölésre ezek száma folyamatosan nő 2G és 3G-vel ellentétben itt a UE sok sávban kell tudni működni Kétmódú, FDD/TDD készülékek globális roaminghoz szükséges

FDD-TDD FDD - páros spektrumon, klasszikus megoldás TDD: 3G rendszerek többsége is FDD, ezek mintájára Hátrány: Spektrumkihasználtság rosszabb: Pl. asszimmetrikus forgalom esetén (UL/DL) TDD: Kínában már a 3G is TDD Előny: Nincs szükség páros spektrumra Spektrumkihasználtság kedvezőbb

Támogatott frekvencia sávok 2009-ben: 15 FDD 8 TDD

Frekvencia sávok Többféle sávszélesség Követelmény: helyi frekvencia gazdálkodásokhoz illeszkedjen 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz-es sávok Követelmény: Különböző sávszélesség adottságokhoz alkalmazkodási képesség Rendszer működésére minimális kihatással

Többszörös hozzáférés DL irány: OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) egy változata UL irány: SC-FDMA Single-Carrier Frequency Division Multiple Access Másik neve: DFT-SOFDM – Discrete Fourier Transform Spread OFDM

DL többszörös hozzáférés Digitális többvivős moduláció Wlan rendszerekben már régebben Cellás rendszerekben újdonság Nagy számú, kis védőtávolságú vivők egymás mellett Párhuzamos átvitel ezeken a csatornákon Csatornákra nézve QPSK, 16, 64 QAM modulációk alacsony szimbólumsebesség Szimbólumok között időtartományban védősávok Szimbólumáthallás elkerülésére

OFDM története 1980-ban már a GSM kapcsán is felmerült az alkalmazása Nagyszámú FFT számítás az alapja Túl sok energiát emésztett volna fel 1998-ban az UMTS esetén is felmerült A technológia még ekkor sem volt alkalmas Az LTE megszületéskor a DSP alapú számítási költségek nagyon lecsökkentek ezért került implementálásra

OFDM vs CDMA OFDM előnyei: Széles csatornák használatára hangolható Fading ellen sokkal jobban védett Csatornakiegyenlítés egyszerűbb Mivel az OFDM jelek a frekv. tartományban reprezentáltak az időtartomány helyett Lehetőség van teljes rezisztanciára a többutas terjedés hatásai ellen MIMO-hoz alkalmasabb: A frekvenciatartománybeli jelkezeléssel megfelelően előkódolható a jel a többutas terjedésű csatorna számára.

OFDM vs CDMA OFDM hátrányai: A segédvivők közelsége miatt vivők közötti áthallás könnyen előfordulhat: Frekvencia és fázis érzékenység Doppler-szórásra érzékeny Az OFDM magas átlagenergiával dolgozik Sok energia szükséges a jelek kisugárzásához Uplink irányban ezért van más moduláció

OFDM vs CDMA OFDM hátrányai: Cellahatárok menti interferencia elkerülésére a frekvencia használat megfelelő szabályozása szükséges: Cellák közepén nagy kis energiával azonos frekvenciák Cella határokon különböző frekvenciák nagy energiával

OFDM – CDMA összehasonlítás

DL - OFDM Egymáshoz közeli vivőfrekvenciákon párhuzamos adatátvitel Vivőfrekvenciák ortogonálisak Csatornák között nincs áthallás

DL - OFDM segédvivők (alvivők) távolsága Δf=15 kHz Δf=7.5 kHz is lehet eMBMS esetén (műsorszórás) Ennek reciproka a szimbólumidő T=66.67 μs Időtartományban: négyszög Frekvenciatartományban: six

DL - OFDM A segédvivők közötti frekvencia és a szimbólumidő egymásnak reciproka vivőfrekvenciák ortogonálisak, nincs csatornák közötti áthallás frekvenciatartomány

OFDM ISI ISI – inter symbol interference Szimbólumközi áthallás Időtartomány segédvivők között is áthallást okoz ortogonalitás elvész: szimbólumidőnyi integrálásban nem egész számú periódus lesz az egyik jelből! Különböző terjedési utakon érkezett jelek okozzák:

OFDM védőidő, CP Többutas terjedés ellen rezisztancia: Védőidők az adási távolság függvényében Védőidő alatt a CP (Cyclic prefix) kerül kisugárzásra, ami a szimbólum végének másolata

CP paraméterei Normál CP: 1.4km távolságig megfelelő Kiterjesztett CP: 10 km-ig (ekkor kevesebb szimbólum fér el 0..5, vagy 0,1,2)

OFDM példa 5 MHz teljes sávszélesség, n db segédvivő Segédvivők színekkel jelölve, frekv tartományban Védőidők feketével időtartományban

OFDM - OFDMA Az OFDM-ben keskeny sávot használ egy UE OFDMA Fading vagy interferencia elnyomhatja a jelet OFDMA TDMA jelleg bevitele a vivők kiosztásába UE időben több vivőn forgalmaznak

Keretszerkezet alap időegység a mintavételi idő Ts=1/(15000x2048) másodperc minden időegység ennek többszöröse FDD módú keretszerkezet: 10 ms keret, 10 db 1 ms alkeret 20 db 0.5 ms időrés (timeslot)

Rádiós erőforrás egység Fizikai erőforrás blokk - Physical Resource Block – PRB 12 segédvivő (12*15 kHz = 180 kHz) egy időrésben (0.5 ms) Ez a legkisebb egység, ami egy előfizetőnek adható 12*6= vagy 12*7 szimbólum időrésenként (eMBMS esetén 24 segédvivő, 7.5 kHz-es távolságban)

Átviteli sebesség konfigurációk Átviteli sebességek Fizikai szintű pillanatnyi átviteli sebességek egy PRB-vel: Egy bázisállomás min 6 PRB-t kell tudnia: 6*180kHz=1.08 MHz Védősávokkal 1.4MHz Átviteli sebesség konfigurációk Csatorna sávszélesség védősávval (MHz) 1,4 3 5 10 15 20 Átviteli sávszélesség védősáv nélkül 1,08 2,7 4,5 9 13,5 18 RB-k száma 6 25 50 75 100

UL: SC-FDMA Magas PAR (peak-to-average ratio) miatt az OFDMA, drágább Nem alkalmas a kézi készülékeknél, akku miatt Bázisállomásban jó SC-FDMA PAR értéke kedvezőbb, és olcsóbb is Egyvivős átviteli rendszerekre jellemzően Előnyök: a többutas terjedésre továbbra is érzéketlen sávszélességben rugalmas

SC-FDMA Jel előállítása: Az időtartományi szimbólumok DFT-vel frekvenciatartományba transzformálása A frekvenciatartományban a megfelelő frekvenciára helyezés IFFT-vel visszatranszformálás CP hozzáillesztése

OFDMA SC-FDMA összehas.

OFDMA SC-FDMA összehas. 4 segédvivő (M), 2 szimbólum idő, QPSK

SC-FDMA jel

Maros Dóra LTE - Antennák 2012

Több antennás átviteli módok Többutas terjedés saját hasznunkra fordítása Elsősorban beltéren, vagy városi környezetben Antennák száma Adónál 1,2,4 Vevőnél 2,(4) Megfelelő jelfeldolgozás szükséges Adás előtt Vétel után Antennák elhelyezése minél messzebb: Kicsi mobil terminálokon problémás

Alkalmazási lehetőségek Nyalábformálás, (beamsteering) Lefedettség növelése adott irányban Az adott irányban nagyobb antennaerősítés Diverziti jobb jel-zaj viszony elérése, lefedettség növelése Adó- és vevőoldali több antennán adott/vett jelek megfelelő kombinálásával Interferencia törlés több vevő antennával bizonyos irányból jövő jelek törlése (kb. a nyalábformálás fordítottja)

Alkalmazási lehetőségek Térbeli multiplexálás: SDMA Adatátviteli sebesség többszörözése Azonos időben Azonos frekvencián Több adóantennán párhuzamosan különböző adatfolyamok továbbítása Többfelhasználós MU-MIMO Több előfizető kiszolgálása SDMA-val (ld. előbb) párhuzamos adatfolyamok más előfizetőhöz tartoznak

Jellemzők A realizálható előnyök függenek: Az adó és vevő antennák számától: több - jobb Jel-zaj viszonytól: magas SNR a kedvező Az adó képességeitől Mennyire és milyen gyorsan tud a változó körülményekhez alkalmazkodni Az adó-vevő közvetlen rálátása minimális legyen Ekkor a terjedési utak korreláltsága alacsony Ideális eset: Az utak teljesen korrelálatlanak Ekkor pl. 2x2 esetben az átviteli sebesség 2x-es

Rádiócsatorna hozzáférés módok Single - Multiple Input - Output Egy adó Több adó Egy vevő Több vevő

SISO Klasszikus rádiózási mód Egy adóval egy vevővel A többantennás átviteli módok előnyei ehhez hasonlíthatóak

SIMO Egy adó, több vevő Vevő oldali diverziti valósítható meg Alacsony SNR esetén jobb vételi lehetőséget lehet teremteni vele Lefedettség növelésére használható Cellahatárokon Adatsebességre nincs hatással Csak egy adatfolyam kerül kisugárzásra

MISO Több adó, egy vevő Adás diverziti valósítható meg több antennán Fading ellen hatásos Alacsony SNR esetén növelhető a hatékonyság több antennán Ugyanazon adatok továbbítása De más kódolással így a vevő azonosítani tudja az adókat Adatsebességet nem növeli Ugyanaz az adatsebesség kisebb energiával továbbítható

MISO Több adó, egy vevő Visszacsatolással kiegészítve: A vevő a vételi viszonyokat az adónak visszaküldi Az adó optimális Sugárzott teljesítmény Fázisviszonyokat állít be Adaptív működés Korrekciók akár több százszor másodpercenként

MIMO Több adó, több vevő Legjobban kihasználható a többutas terjedés A spektrális kapacitás kibővíthető vele Vevők száma ≥ adatfolyamok száma Adók száma ≥ adatfolyamok szám Több különböző adatfolyamot (streamet) továbbít egy frekvencián egy időben több adóval

MIMO Mindegyik antenna által kisugárzott jel Azonosítható a vevő oldalán, honnan érkezett Azonosítás rendszerint ortogonális pilot jelekkel Vevő oldalon az adatfolyamok visszaállíthatók: Az egyes utak korrelációja alacsony Jel-zaj viszony kellően magas Single User MIMO Adatátviteli sebesség növelése Multi User MIMO Több felhasználó kiszolgálása

MIMO direkt adás MIMO legegyszerűbb esete (Direct mapping) Adó oldalon: Egy adatfolyam - egy antennán kerül kisugárzásra Vevő oldalon: Két adatfolyam vegyesen érkezik Megfelelő algoritmussal szétválaszthatók

MIMO precoding Speciális kód (precode) használata: Adó oldal: Különböző adatfolyamok Antennákon keveredve kerülnek kisugárzásra Vevő oldal: Adatfolyamok szétválaszthatók

MIMO precoding jellemzői Átvitel a csatorna jellemzőire optimalizálható Bonyolultabb rendszer Nagyobb kapacitás Szükség van a csatorna pillanatnyi paramétereire is visszacsatolással a vevő felől Referencia jelek segítségével FDD esetén UL-en külön továbbítja a vevő TDD esetén (UL, DL frekvencia közös) az adó a vett jel mért paraméterei alapján automatikusan alkalmazza a megfelelő korrekciót

MIMO és az LTE Terminológiák Prekódolás (precoding) Kódszó: Felhasználói adat, mielőtt az átviteli formázás megtörténne Egy vagy két kódszó használatos Réteg (layer): Adatfolyamot jelenti A térbeli multiplexeléshez legalább 2 réteg használandó Jelölés: rétegek száma: ν, görög nü Prekódolás (precoding) Módosítja a jelet kisugárzás előtt Ezzel valósul meg a diverziti, nyalábformálás, térbeli multiplexelés

LTE többantennás módok DL UL irányban különböző többantennás működési módok definiáltak DL irányban 7 féle UL irányban 3 féle

LTE DL többantennás módok 7 féle működési mód: 1. Single-antenna port; port 0 SIMO 2. Transmit diversity MISO 3. Open-loop spatial multiplexing MIMO, no precoding 4. Closed-loop spatial multiplexing MIMO, precoding 5. Multi-user MIMO MIMO, separate UE 6. Closed-loop Rank = 1 precoding MISO, beamsteering 7. Single-antenna port; port 5

1. Single-antenna port SIMO Vevő oldali diverziti megvalósításához Gyenge SNR viszonyok között előnyös Jó vételi viszonyok esetén nincs számottevő előnye

2. Transmit diversity MISO Nyílt hurkú adó oldali diverziti Direkt adásos (precoding nélküli) mód CW0 és CW1 kódszavak azonosak 2, vagy 4 antenna támogatott (UMTS Rel.99 –ben rögzített eljárással egyező) (UMTS Rel.99-ben lévő a zárt hurkú, összetettebb eljárás nem került bele az LTE-be, helyette a MIMO megoldások vannak)

3. Open-loop spatial multiplexing 2, vagy 4 antenna támogatott Tipikusan 2 csatornás UE esetén 4x2, 2x2-es konfiguráció a tipikus 4x4 is definiált, de 4 vevős UE nincs még SU-MIMO CW0 és CW1 kódszavak különbözők Nyílt hurkú, mert nincs előkódolás De az adás optimalizására használatos két paraméter UE-preferred rank Channel Quality Indicator (CQI)

4. Closed-loop sp. multiplexing MIMO, előkódolással Antennákon minden kódszóra lehet különböző érték a Teljesítményre Fázisra Zárt hurkú visszacsatolás Csatorna jellemzőinek mérésére szüksége van FDD esetén a vevő küldi az uplinken Channel Quality Indicator (CQI) precoding matrix indicator (PMI) Rank indicator (RI) (egész sávra vonatkozik)

4. Closed-loop sp. multiplexing precoding matrix indicator (PMI) Kódgyűjtemény alapján küld visszajelzést előre letárolt értékeknek az indexét 2x2 - 3 féle kód 4x2 - 16 féle kód Nem annyira pontos, de hatékony Egyszerűsíti a csatorna minőségének értékelését UL is kisebb a visszajelzés forgalma Visszajelzések: több száz per sec

5. Multi-user MIMO Speciális esete a 3-as típusnak SDMA megvalósítása Több UE kiszolgálása Kódszavak itt UE-ket azonosítanak Zárt hurkú MIMO (4. típus) nem használható

6. Closed-loop Rank=1 Előkódolt, MISO, nyalábformálás Megfelelő irányba fókuszálja a kisugárzott teljesítményt Főként 4 antenna esetén alkalmazott 4. típus esetén, ha a reportban RI=1, ez a típus lép életbe Felhasználónkénti nyalábformálásra lehetőség van: Resource blokkonként állítható az amplitúdó és fázis Hatékony

7. Single-antenna port, port 5 MISO, nyalábformálás 6. típushoz hasonló Egy 5. antenna (port 5) is sugároz a UE felé UE specifikus referencia jelet is visz

LTE UL többantennás módok 3 típus: 1. típus = DL 1.típus 1. Vevőoldali diverziti az eNB-ben 2. SU-MIMO (egy felhasználós MIMO) 3. MU-MIMO (több felhasználós MIMO)

2. SU-MIMO Rel.8-ban még nem specifikálták teljesen UE: 2 adóra van szükség, ez probléma: Méretben Árban Energiában UL irányban a sebesség növelése nem fontos Ezek miatt e típus fejlesztése nem indokolt

3. MU-MIMO Több UE kiszolgálása (SDMA) 2 UE egymástól távolabb van: Egy UE sebessége nem nő Cellakapacitás nő 2 UE egymástól távolabb van: Előnyös, mert kis korreláció a csatornák között Hátrányos, mert nem keverhetőek a kisugárzott jelek a két antennán Két UE nem kommunikál egymással

Kooperatív MIMO CoMP – Cooperative multipoint, vagy Network MIMO Adók különböző cellákban Antennák más helyeken – nagy távolság eNB-k szinkronizálása fontos MU MIMO-hoz hasonlít Nem teljesen specifikált, LTE Advancedben van!

Maximális sebességek Antenna konfigurációtól, Modulációk típusától függ Antennák 1..4-ig

Maros Dóra LTE - protokollok 2012

Protokoll szerkezet LTE rádiós interfész protokoll rétegei: 3 réteg

Fizikai réteg feladatai Fizikai csatornák modulációja és demodulációja Frekvencia és idő szinkronizáció MIMO antenna jelfeldolgozás Adás diverziti Nyalábformálás Rádiófrekvenciás jelfeldolgozás Rádiós csatorna karakterisztika mérések Eredmények továbbítása felsőbb rétegek felé Fizikai csatornák teljesítményszabályzása

Fizikai réteg feladatai 2 Hibadetektálás a szállítási (transport) csatornákon Forward error correction (FEC) Szállítási csatornák kódolása/dekódolása Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ) adatintegritás ellenőrzés Szállítási csatornák sebesség igazítása és enkapszulációja a fizikai csatornákba

Fizikai réteg alegységei Fizikai csatornák és modulálás Multiplexálás és csatornakódolás Fizikai rétegbeli eljárások Fizikai rétegbeli mérések Rádiós erőforrás menedzsment

Fizikai csatornák és modulálás A fizikai jeleket a legalsó réteg állítja elő Rendszer szinkronizáció Cellaazonosítás Rádiós csatorna karakterisztikájának becslése Adatszállítás: Vezérlés ütemezés felhasználói adatok továbbítása

Fizikai csatornák és moduláció DL UL irányban van RS (reference signal ) – pilot jel A vevő használja a csatorna paraméterek megállapítására: Amplitudó hibák Fázis hibák Ami a továbbított jel hibáiból és hozzáadódó zajokból tevődik össze RS nélkül főként a magasszintű modulációknál a demoduláció képtelenség lenne, itt kis fázis és amplitúdó hiba is sokat számit

Fizikai csatorna pilot jelei

Fizikai csatornák Fizikai jelek fizikai csatornákat alkotnak, melyek az adatokat és a jelzéseket továbbítják

Keretszerkezet Keretek felépítése: Fizikai réteg támogatja a két többszörös hozzáférési technikát: OFDMA SC-FDMA Emelett mindezt páros és páratlan UL DL sávban is! FDD TDD Az UL DL más hozzáférési módot használ a keret struktúra közös

Keretszerkezet Szabvány definiálja a Két keretstruktúra alkalmazható: Keretet Az időrést (timeslot) Szimbólumokat az időtartományban Két keretstruktúra alkalmazható: Type 1, FDD-hez Type 2, TDD-hez

Type 1 FDD keret 10 ms hosszú 10 alkeret 1 alkeretben 2 slot

Type 2 TDD keret 5 ms periodicitású 2 db 5ms-os félkeret 10 ms hosszig A félkeret tartalmaz 5 alkeretet (1 ms) Az alkeret lehet UL vagy DL átvitel Speciális alkeret: DL UL pilot timeslottal köztük védőidővel.

Type 2 TDD keret Az alkeretek közül UL DL-hoz rendelésnek 7 konfigurációja lehetséges: Alkeret 0 és 5 mindig DL Alkeret 1 speciális Alkeret 2 mindig UL A többi alkeret a keretkonfigurációtól függ 5ms-os konfig esetén a 6. alkeret is speciális 10 ms-os esetén általános

Type 2 TDD keret Az alkeret 2 slotot tartalmaz, 0.5 ms Az OFDMA, SC-FDMA védett a többutas késleltetéstől A hosszú OFDMA szimbólumok közötti védőidők meggátolják a szimbólumok közötti áthallást Ha a védőidő hosszabb mint a csatorna késleltetése ha az OFDM szimbólum végét az elejére másoljuk Kiküszöbölhető az ISI.

OFDM Symbol Egy alkereten belül 2 slot van Egy sloton belül 7 symbol lehet az alábbi példa alapján (2048+144)*6+2048+160=15360*Ts

Ciklikus prefix Normal: 1.4km távolságig megfelelő Extended: 10 km-ig

Erőforrás elem és blokk Erőforrás elem (RU) a legkisebb egység a fizikai rétegben Egy szimbólumot foglal el időtartományban Egy segédvivőt a frekvenciatartományban

RB – Resource Block RB legkisebb egység ami az átvitelkor lefoglalható, pl. egy UE forgalmának 1 RB: 0.5 ms (1 slot) időt foglal el időtartományban 180 kHz-et frekvencia tartományban

RB paraméterei RB-ban a segédvivők és a szimbólumok száma az alábbiaktól függ: Segédvivők távolságától CP hosszától

Fizikai csatornák modulációi

Szállítási csatornák

Csatornák összerendelése Fizikai és szállítási csatornák összerendelése

Csatorna minőség kezelése Minőségi paraméterek: Késleltetés Átviteli sebesség LTE-ben mind a kettőt a fizikai rétegben mérik és kezelik Cél: mindkettő előnyös értéken tartása HARQ - Hybrid Automatic Repeat Request AMC – Adaptive Modulation and Coding Együtt működve rendkívül adaptív lesz!

HARQ Két végpont között figyeli az adatok átvitelének megbízhatóságát Azonosítja a hibákat, és újra küldést kezdeményez a forrás felől LTE-ben Type-II HARQ protocols (HSPA,HSPA+ is ilyet használ)

AMC Link alkalmazkodóképességét valósítja meg Átviteli sebességet növelje Fadinges csatornában A csatorna minőségének függvényében felhasználónként képes állítani a moduláció típusát Jó minőségű csatorna: magasabb szintű moduláció Alacsonyabb szintű csatorna kódolás és fordítva….

Maros Dóra 4G rendszerek LTE-Adv 2012

LTE, IMT 4G rendszerek megvalósítása: ITU-R International Telecommunications Union - Radiocommunications sector Felhívás 4G szabványok fejlesztésére: IMT – Advanced rendszerekre Követelmények kiadása 2011 februárban fejeződött be a rádiós interfész specifikálása Legesélyesebb LTE Advanced - 3GPP WIMAX is vetélytárs (volt)

IMT Advanced követelményei Maximálisan elérhető spektrum hatékonyság (DL: 30 bps/Hz; UL 15 bps/Hz) Spektrum rugalmas kihasználása: Skálázható sávszélesség Több különálló sáv aggregációja Erre az OFDM kifejezetten alkalmas A rádiós átvitel alapja továbbra is: DL: OFDMA, UL: SC-FDMA

IMT Advanced követelményei 2 100 Mbps magas mobilitás mellett 1 Gbps alacsony mobilitás mellett Globális roaming lehetősége Működő rádiós hozzáférési hálózatokkal együttműködés Szolgáltatások kompatibilitása IMT és fix hálózatokon

Vivő aggregáció CA - Carrier Aggregation Nagyon nagy sebességhez - nagy sávszélesség szükséges ~ n x 20MHz Szabad frekvenciasávok korlátozottak Több különálló sáv(ok)ból állítható csak össze Folytonos, egymás melletti sávok Különálló sávok összefogása Készülékek számára ez még jelentős tecnhikai kihívás Nagy sávszélességben adott sávokat használva képes legyen kommunikálni

3GPP LTE Advanced LTE Release 10 (LTE‐Advanced) A 4G-re adott maximális spektrális hatékonyság követelményét már az LTE is teljesítette részben: DL: 15 bps/Hz (300Mbps/20MHz) OK UL: 3.75 bps/Hz KEVÉS ITU szerint 6.75 bps/Hz a minimum.

UL DL moduláció ugyanaz, mint LTE Kompatibilitás visszafelé Rendelkezésre álló sávszélesség kapott kiterjesztést: 1.4, 3, 5, 10, 15 és 20 MHz sávok támogatása marad N*20MHz sávok aggregálása lehetséges Maximum 100 MHz-ig UE és eNB max ekkora sávszélességben kell tudni forgalmazni Az aggregálás 20 MHz-es alapegységekre vonatkozik Vivő aggregáció: folytonos és nem folytonos esetben

E-UTRA sávok Allokált sávok az E-UTRA számára: 450−470 MHz 698−862 MHz 2.3−2.4 GHz 3.4−4.2 GHz 4.4-4.99 GHz

Csatorna aggregáció 3 típus: Max. 5 20 MHz-es vivő aggregálása Egy sávon belül folytonos tartományban Egy sávon belül, de nem folytonos tartományban, hanem két vagy több, egymástól adott távolságban lévő csatornákon. Több sávon belül, ekkor nyilvánvalóan nem folytonosan. E. F. Vizsgálati stádiumban Max. 5 20 MHz-es vivő aggregálása Technikailag jelenleg 2-3 x 20 MHz aggregáció lehetséges

Csatorna aggregáció 2. Aggregáció esetén: 1 20 MHz-es fővivő (elsődleges komponens) Többi másodlagos vivő Elsődleges komponens vivő konfiguráció: Terminálfüggő több tényező határozza meg, hálózat alakítja ki: Egyes vivők terheltsége csatorna minőségi paraméterei alapján

MIMO fejlesztések 8x8 MIMO alkalmazások vizsgálata Kooperatív MIMO eNB esetén használható inkább Kérdéses az előnyök és a költségek aránya Antennák per szektorok száma is kérdéses: 8 antenna helyett lehet kifizetődőbb 2 szektor 4-4 antennával Kooperatív MIMO Több bázisállomás jelenti a több antennát adó oldalon Csak DL

In-channel relay ~Repeaterek új generációja Új generációs eszközök Lefedettséget növeli, de kapacitást nem Új generációs eszközök Dekódolják az információt és csak a szükséges csatornákat továbbítják Interferencia minimális lehet Több lépéses jelismétlés is lehetséges.

További fejlesztési lehetőségek Cellahatáron fellépő interferencia Koordinációja Eliminálása „Ön-optimalizáló hálózat” Femtocellák