Физический уровень сетей LTE

Подробности: Родительская категория: LTE; Категория: Физический уровень стандарта LTE

Радиоинтерфейс LTE. Физический уровень

Канальный ресурс LTE по линии вниз (OFDMA) и его характеристики

На физическом уровне (на участке между UE и eNodeB) в стандарте LTE применяют технологию OFDM (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) с модуляцией 4-ФМ, 16-КАМ и 64-КАМ. При этом максимальное количество поднесущих частот в рабочей полосе может быть равно 2048.

С целью достижения взаимной синхронизации E-UTRA и UTRA применяют тактирование с длительностью временной единицы T_s= 1/(15000×2048)c. Передача по радиоканалу производится кадрами длительностью 10 мс, что равно 307200 Ts.

Структуры кадров LTE

Кадры в LTE подразделяются на 2 типа:

с частотным дуплексом (FDD);
с временным дуплексом (TDD).

Структура кадра с частотным дуплексом (FDD)

Структура кадра частотным дуплексом приведена на рис.1. Кадр включает 20 временных слотов длительностью 15360×Ts = 0,5мс, пронумерованных от 0 до 19. Два последовательных слота представляют собой 1 субкадр. Всего субкадров – 10, от 0 до 9 (рис.2).

Рис. 1. Структура кадра при частотном дуплексе (FDD)

Рис.2. Конфигурация кадра при частотном дуплексе (FDD)

Структура кадра при временном дуплексе (TDD)

Структура кадра в LTE при TDD приведена на рис. 3.

Структура кадра при временном дуплексе

Рис.3. Структура кадра при временном дуплексе (TDD)

Кадр длиной 10 мс также включает 10 субкадров длиной 1 мс, но в отличие от рис.2 в некоторых субкадрах происходит передача вниз (D), в других – вверх (U); помимо этого есть специальные субкадры (S), в состав которых входит три поля: UpPTS – поля передачи вверх, DwPTS – поля передачи вниз, и GP – защитного интервала. Всего при временном дуплексе возможно 7 конфигураций кадров (табл. 1).

Таблица 1. Конфигурации кадра в LTE при временном дуплексе (TDD)

Конфигурация вверх-вниз	Периодичность вверх-вниз	Номер субкадра
Конфигурация вверх-вниз	Периодичность вверх-вниз	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	5 мс	D	S	U	U	U	D	S	U	U	U
1	5 мс	D	S	U	U	D	D	S	U	U	D
2	5 мс	D	S	U	D	D	D	S	U	D	D
3	10 мс	D	S	U	U	U	D	D	D	D	D
4	10 мс	D	S	U	U	D	D	D	D	D	D
5	10 мс	D	S	U	D	D	D	D	D	D	D
6	5мс	D	S	U	U	U	D	S	U	U	D

Поскольку между поднесущими расстояние составляет ∆F = 15 кГц, длина OFDM-символа равна 1/∆F ≈ 66,7 мкс. Половина субкадра (слот длительностью 0,5мс) состоит из 6 или 7 OFDM-символов в зависимости от величины циклического префикса СР (cyclic prefix) и активной паузы между символами. Значение циклического префикса T_CP равно 160Тs ≈5,2 мкс перед первым символом и 144Тs ≈4,7мкс – перед остальными символами. Возможен также вариант применения расширенного СР, равного 512Тs ≈16,7мкс. В случае, приведенном на рис.4, в один субкадр входит 6-OFDM символов (типичный пример).

Рис.4. Структура слота на физическом уровне

Канальный ресурс LTE. Ресурсный блок и ресурсный элемент

Существующий канальный ресурс состоит из ресурсных блоков (РБ), каждый из которых включает 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 представляет собой ресурсный элемент (РЭ), параметрами которого являются 2 значения: {k,l}, где k указывает на номер поднесущей, а l – номер символа в ресурсном блоке. Во время передачи по линии «вниз» (от базовой станции к абонентской) в каждом блоке из 12×7 = 84 ресурсных элементов, некоторые из которых применяют для отправки опорных (reference) символов (рис.5). Выделяемый канальный ресурс определяют количеством ресурсных блоков или групп ресурсных блоков.

Структура ресурсного блока при передаче вниз

Рис.5. Структура ресурсного блока при передаче вниз

Следует учитывать, что скорость передачи сокращается, поскольку часть ресурса занимают опорные символы и управляющие каналы. Опорные символы используют для реализации когерентной демодуляции и оценки каналов. Во время передачи по линии «вниз» на базовой станции могут функционировать до 4-х антенн. При этом каждой антенне выделены фиксированные ресурсные элементы для передачи опорных символов. Рис.6. поясняет расположение опорных символов в ресурсном блоке, где символами, помеченными R0, являются символы, передаваемые антенной 0, символы R1 – антенной 1, R2 – антенной 2, R3 – антенной 3. Уменьшение пропускной способности ресурсного блока (в процентном отношении) вследствие передачи опорных символов приведено в табл. 2.

Таблица 2. Уменьшение пропускной способности ресурсного блока (в процентном отношении) вследствие передачи опорных символов

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

Расположение опорных символов в ресурсном блоке во время передачи по линии «вниз»

Рис.6. Расположение опорных символов в ресурсном блоке во время передачи по линии «вниз»

Радиоинтерфейс LTE по линии вверх (Uplink): SC-FDMA

Канальный ресурс по линии «вверх» выделяют также ресурсными блоками (12 поднесущих общей полосой 180 кГц в слоте), и субкадрами длительностью 1 мс с 7 или 6 OFDM-символами в каждом слоте. Пример распределения канального ресурса между разными абонентами (User) приведен на рис.7.

Распределение канального ресурса вверх

Рис.7. Распределение канального ресурса вверх (Uplink)

Во время передачи по линии «вверх» применяют измененную технологию OFDM, а фактически производят передачу широкополосного сигнала на одной несущей. Задачей данного метода является уменьшение пик-фактора передаваемого сигнала, т.к. большой пик-фактор – это значительный «минус» технологии OFDM. В связи сэтим до формирования сигнала OFDM производят прямое быстрое (дискретное) преобразование Фурье передаваемого сигнала (БПФ), в затем переходят к OFDM (рис. 8). Данная технология называется БПФ-OFDM или SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division Multiple Access).

Формирование сигнала БПФ-OFDM

Рис. 8. Формирование сигнала БПФ-OFDM

Подробнее о радиоинтерфейсе, ядре сети, услугах, существующих и перспективных технологиях в сетях мобильной связи читайте в новой книге "Мобильна связь на пути к 6G".