Обзор LTE

LTE означает Long Term Evolution, и он был начат как проект в 2004 году телекоммуникационным органом, известным как Проект партнерства третьего поколения (3GPP). SAE (эволюция системной архитектуры) является соответствующей эволюцией эволюции базовой сети GPRS / 3G. Термин LTE обычно используется для обозначения как LTE, так и SAE.

LTE возникла из более ранней системы 3GPP, известной как Универсальная система мобильной связи (UMTS), которая, в свою очередь, возникла из Глобальной системы мобильной связи (GSM). Даже связанные спецификации были формально известны как развитая наземная радиодоступ UMTS (E-UTRA) и развитая наземная сеть радиодоступа UMTS (E-UTRAN). Первая версия LTE была задокументирована в Выпуске 8 спецификаций 3GPP.

Стремительный рост использования мобильных данных и появление новых приложений, таких как MMOG (мультимедийные онлайн-игры), мобильное телевидение, Web 2.0, потоковое содержимое, побудили Проект партнерства третьего поколения (3GPP) работать над долгосрочной эволюцией (LTE). на пути к мобильной четвертого поколения.

Основная цель LTE — обеспечить высокую скорость передачи данных, низкую задержку и оптимизированную пакетную технологию радиодоступа, поддерживающую гибкое развертывание полосы пропускания. В то же время его сетевая архитектура была разработана с целью поддержки трафика с коммутацией пакетов с беспрепятственной мобильностью и отличным качеством обслуживания.

LTE Evolution

Год	Событие
Март 2000	Выпуск 99 — UMTS / WCDMA
Март 2002	Rel 5 — HSDPA
Март 2005	Rel 6 — HSUPA
Год 2007	Rel 7 — DL MIMO, IMS (мультимедийная IP-подсистема)
Ноябрь 2004	Начата работа над спецификацией LTE
Январь 2008	Спецификация доработана и утверждена с выпуском 8
2010	Целевое первое развертывание

Факты о LTE

• LTE — это технология-преемник не только UMTS, но и CDMA 2000.

• LTE важен, потому что он обеспечит повышение производительности в 50 раз и намного лучшую спектральную эффективность для сотовых сетей.

• LTE введен для получения более высоких скоростей передачи данных, пиковой нисходящей линии связи 300 Мбит / с и пиковой восходящей линии связи 75 Мбит / с. На несущей частоте 20 МГц скорость передачи данных свыше 300 Мбит / с может быть достигнута при очень хороших условиях сигнала.

• LTE является идеальной технологией для поддержки высоких скоростей передачи данных для таких услуг, как передача голоса по IP (VOIP), потоковая передача мультимедиа, видеоконференции или даже высокоскоростной сотовый модем.

• LTE использует как дуплекс с временным разделением (TDD), так и дуплекс с частотным разделением (FDD). В FDD восходящей линии связи и нисходящей линии связи используются разные частоты, в то время как в TDD и восходящая линия связи, и нисходящая линия связи используют одну и ту же несущую и разделены по времени.

• LTE поддерживает гибкую полосу пропускания несущей от 1,4 МГц до 20 МГц, а также как FDD, так и TDD. LTE, спроектированный с масштабируемой полосой пропускания несущей от 1,4 МГц до 20 МГц, используемая ширина полосы которой зависит от полосы частот и объема спектра, доступного у оператора сети.

• Все устройства LTE должны поддерживать передачи (MIMO) с несколькими входами и несколькими выходами, которые позволяют базовой станции одновременно передавать несколько потоков данных по одной несущей.

• Все интерфейсы между сетевыми узлами в LTE теперь основаны на IP, включая транзитное соединение с базовыми радиостанциями. Это большое упрощение по сравнению с более ранними технологиями, которые первоначально основывались на каналах E1 / T1, ATM и Frame Relay, причем большинство из них были узкополосными и дорогими.

• Механизм качества обслуживания (QoS) был стандартизирован на всех интерфейсах, чтобы гарантировать, что требование голосовых вызовов для постоянной задержки и пропускной способности, все еще может быть удовлетворено, когда пределы емкости достигнуты.

• Работает с системами GSM / EDGE / UMTS, используя существующий спектр 2G и 3G и новый спектр. Поддерживает передачу и роуминг в существующие мобильные сети.

LTE — это технология-преемник не только UMTS, но и CDMA 2000.

LTE важен, потому что он обеспечит повышение производительности в 50 раз и намного лучшую спектральную эффективность для сотовых сетей.

LTE введен для получения более высоких скоростей передачи данных, пиковой нисходящей линии связи 300 Мбит / с и пиковой восходящей линии связи 75 Мбит / с. На несущей частоте 20 МГц скорость передачи данных свыше 300 Мбит / с может быть достигнута при очень хороших условиях сигнала.

LTE является идеальной технологией для поддержки высоких скоростей передачи данных для таких услуг, как передача голоса по IP (VOIP), потоковая передача мультимедиа, видеоконференции или даже высокоскоростной сотовый модем.

LTE использует как дуплекс с временным разделением (TDD), так и дуплекс с частотным разделением (FDD). В FDD восходящей линии связи и нисходящей линии связи используются разные частоты, в то время как в TDD и восходящая линия связи, и нисходящая линия связи используют одну и ту же несущую и разделены по времени.

LTE поддерживает гибкую полосу пропускания несущей от 1,4 МГц до 20 МГц, а также как FDD, так и TDD. LTE, спроектированный с масштабируемой полосой пропускания несущей от 1,4 МГц до 20 МГц, используемая ширина полосы которой зависит от полосы частот и объема спектра, доступного у оператора сети.

Все устройства LTE должны поддерживать передачи (MIMO) с несколькими входами и несколькими выходами, которые позволяют базовой станции одновременно передавать несколько потоков данных по одной несущей.

Все интерфейсы между сетевыми узлами в LTE теперь основаны на IP, включая транзитное соединение с базовыми радиостанциями. Это большое упрощение по сравнению с более ранними технологиями, которые первоначально основывались на каналах E1 / T1, ATM и Frame Relay, причем большинство из них были узкополосными и дорогими.

Механизм качества обслуживания (QoS) был стандартизирован на всех интерфейсах, чтобы гарантировать, что требование голосовых вызовов для постоянной задержки и пропускной способности, все еще может быть удовлетворено, когда пределы емкости достигнуты.

Работает с системами GSM / EDGE / UMTS, используя существующий спектр 2G и 3G и новый спектр. Поддерживает передачу и роуминг в существующие мобильные сети.

Преимущества LTE

• Высокая пропускная способность: высокая скорость передачи данных может быть достигнута как в нисходящей линии связи, так и в восходящей линии связи. Это вызывает высокую пропускную способность.

• Низкая задержка: время, необходимое для подключения к сети, находится в диапазоне нескольких сотен миллисекунд, и теперь состояния энергосбережения можно вводить и выходить очень быстро.

• FDD и TDD на одной платформе: дуплекс с частотным разделением (FDD) и дуплекс с временным разделением (TDD), обе схемы могут использоваться на одной платформе.

• Превосходное взаимодействие с конечным пользователем: Оптимизированная сигнализация для установления соединения и других процедур радиоинтерфейса и управления мобильностью еще больше улучшила взаимодействие с пользователем. Уменьшенная задержка (до 10 мс) для лучшего взаимодействия с пользователем.

• Бесшовное соединение: LTE также будет поддерживать бесшовное соединение с существующими сетями, такими как GSM, CDMA и WCDMA.

• Подключи и играй: пользователю не нужно вручную устанавливать драйверы для устройства. Вместо этого система автоматически распознает устройство, загружает новые драйверы для оборудования, если это необходимо, и начинает работать с вновь подключенным устройством.

• Простая архитектура: из-за простой архитектуры низкие эксплуатационные расходы (OPEX).

Высокая пропускная способность: высокая скорость передачи данных может быть достигнута как в нисходящей линии связи, так и в восходящей линии связи. Это вызывает высокую пропускную способность.

Низкая задержка: время, необходимое для подключения к сети, находится в диапазоне нескольких сотен миллисекунд, и теперь состояния энергосбережения можно вводить и выходить очень быстро.

FDD и TDD на одной платформе: дуплекс с частотным разделением (FDD) и дуплекс с временным разделением (TDD), обе схемы могут использоваться на одной платформе.

Превосходное взаимодействие с конечным пользователем: Оптимизированная сигнализация для установления соединения и других процедур радиоинтерфейса и управления мобильностью еще больше улучшила взаимодействие с пользователем. Уменьшенная задержка (до 10 мс) для лучшего взаимодействия с пользователем.

Бесшовное соединение: LTE также будет поддерживать бесшовное соединение с существующими сетями, такими как GSM, CDMA и WCDMA.

Подключи и играй: пользователю не нужно вручную устанавливать драйверы для устройства. Вместо этого система автоматически распознает устройство, загружает новые драйверы для оборудования, если это необходимо, и начинает работать с вновь подключенным устройством.

Простая архитектура: из-за простой архитектуры низкие эксплуатационные расходы (OPEX).

LTE — QoS

Архитектура LTE поддерживает жесткий QoS с сквозным качеством обслуживания и гарантированной скоростью передачи битов (GBR) для радиоканалов. Например, как Ethernet и Интернет имеют различные типы QoS, например, различные уровни QoS могут применяться к трафику LTE для различных приложений. Поскольку LTE MAC полностью запланирован, QoS является естественным соответствием.

Каналы-носители Evolved Packet System (EPS) обеспечивают однозначное соответствие с однонаправленными радиоканалами RLC и обеспечивают поддержку шаблонов потока трафика (TFT). Существует четыре типа носителей EPS:

• Ресурсы канала GBR, постоянно распределяемые посредством контроля доступа

• Носитель без GBR без контроля доступа

• Выделенный Носитель, связанный с определенным TFT (GBR или не-GBR)

• Носитель по умолчанию, не GBR, универсальный для неназначенного трафика

Ресурсы канала GBR, постоянно распределяемые посредством контроля доступа

Носитель без GBR без контроля доступа

Выделенный Носитель, связанный с определенным TFT (GBR или не-GBR)

Носитель по умолчанию, не GBR, универсальный для неназначенного трафика

Основные параметры LTE

В этом разделе будут обобщены основные параметры LTE:

параметры	Описание
Диапазон частот	Полосы FDD UMTS и полосы TDD, определенные в таблице 5.5.1 раздела 36.101 (v860), приведены ниже
Дуплексный	FDD, TDD, полудуплекс FDD
Канальное кодирование	Турбо код
мобильность	350 км / ч
Ширина полосы канала (МГц)	1.4 3 5 10 15 20
Конфигурация полосы пропускания передачи NRB: (1 ресурсный блок = 180 кГц в 1 мс TTI)	6 15 25 50 75 100
Схемы модуляции	UL: QPSK, 16QAM, 64QAM (опционально) DL: QPSK, 16QAM, 64QAM
Схемы множественного доступа	UL: SC-FDMA (множественный доступ с частотным разделением с одной несущей) поддерживает 50 Мбит / с + (спектр 20 МГц) DL: OFDM (множественный доступ с ортогональным частотным разделением каналов) поддерживает 100 Мбит / с + (спектр 20 МГц)
Многоантенная технология	UL: многопользовательская совместная MIMO DL: TxAA, пространственное мультиплексирование, CDD, массив 4×4 макс.
Пиковая скорость передачи данных в LTE	UL: 75 Мбит / с (полоса пропускания 20 МГц) DL: 150 Мбит / с (UE категории 4, 2×2 MIMO, полоса пропускания 20 МГц) DL: 300 Мбит / с (UE категории 5, 4×4 MIMO, полоса пропускания 20 МГц)
MIMO (Множественный вход, множественный выход)	UL: 1 х 2, 1 х 4 DL: 2 x 2, 4 x 2, 4 x 4
покрытие	5 — 100 км с небольшой деградацией после 30 км
QoS	E2E QOS, позволяющая расставить приоритеты для разных классов обслуживания
Задержка	Задержка конечного пользователя <10 мс

UL: QPSK, 16QAM, 64QAM (опционально)

DL: QPSK, 16QAM, 64QAM

UL: SC-FDMA (множественный доступ с частотным разделением с одной несущей) поддерживает 50 Мбит / с + (спектр 20 МГц)

DL: OFDM (множественный доступ с ортогональным частотным разделением каналов) поддерживает 100 Мбит / с + (спектр 20 МГц)

UL: многопользовательская совместная MIMO

DL: TxAA, пространственное мультиплексирование, CDD, массив 4×4 макс.

UL: 75 Мбит / с (полоса пропускания 20 МГц)

DL: 150 Мбит / с (UE категории 4, 2×2 MIMO, полоса пропускания 20 МГц)

DL: 300 Мбит / с (UE категории 5, 4×4 MIMO, полоса пропускания 20 МГц)

MIMO

(Множественный вход, множественный выход)

UL: 1 х 2, 1 х 4

DL: 2 x 2, 4 x 2, 4 x 4

E-UTRA Рабочие группы

Ниже приведена таблица рабочих диапазонов E-UTRA, взятая из спецификации LTE 36.101 (v860), таблица 5.5.1:

Сетевая архитектура LTE

Сетевая архитектура высокого уровня LTE состоит из следующих трех основных компонентов:

• Оборудование пользователя (UE).

• Развитая наземная сеть радиодоступа UMTS (E-UTRAN).

• Эволюционное пакетное ядро ​​(EPC).

Оборудование пользователя (UE).

Развитая наземная сеть радиодоступа UMTS (E-UTRAN).

Эволюционное пакетное ядро ​​(EPC).

Усовершенствованное пакетное ядро ​​связывается с сетями пакетной передачи данных во внешнем мире, такими как Интернет, частные корпоративные сети или мультимедийная IP-подсистема. Интерфейсы между различными частями системы обозначены как Uu, S1 и SGi, как показано ниже:

Пользовательское оборудование (UE)

Внутренняя архитектура пользовательского оборудования для LTE идентична архитектуре, используемой UMTS и GSM, которая фактически является мобильным оборудованием (ME). Мобильное оборудование состояло из следующих важных модулей:

• Мобильное завершение (MT) : это обрабатывает все функции связи.

• Терминальное оборудование (TE) : завершает потоки данных.

• Универсальная карта с интегральной микросхемой (UICC) : она также известна как SIM-карта для оборудования LTE. Он запускает приложение, известное как универсальный модуль идентификации абонента (USIM).

Мобильное завершение (MT) : это обрабатывает все функции связи.

Терминальное оборудование (TE) : завершает потоки данных.

Универсальная карта с интегральной микросхемой (UICC) : она также известна как SIM-карта для оборудования LTE. Он запускает приложение, известное как универсальный модуль идентификации абонента (USIM).

USIM хранит пользовательские данные, очень похожие на SIM-карту 3G. Здесь хранится информация о номере телефона пользователя, идентификаторе домашней сети, ключах безопасности и т. Д.

E-UTRAN (сеть доступа)

Архитектура развитой наземной сети радиодоступа UMTS (E-UTRAN) была проиллюстрирована ниже.

E-UTRAN осуществляет радиосвязь между мобильным устройством и развитым пакетным ядром и имеет только один компонент — развитые базовые станции, называемые eNodeB или eNB . Каждый eNB является базовой станцией, которая управляет мобильными телефонами в одной или нескольких сотах. Базовая станция, которая обменивается данными с мобильным устройством, называется его обслуживающим eNB.

LTE Mobile связывается только с одной базовой станцией и одной сотой за раз, и eNB поддерживает следующие две основные функции:

• ENB отправляет и принимает радиопередачи на все мобильные устройства, используя функции обработки аналогового и цифрового сигналов радиоинтерфейса LTE.

• ENB управляет работой на всех своих мобильных устройствах низкого уровня, отправляя им сигнальные сообщения, такие как команды передачи обслуживания.

ENB отправляет и принимает радиопередачи на все мобильные устройства, используя функции обработки аналогового и цифрового сигналов радиоинтерфейса LTE.

ENB управляет работой на всех своих мобильных устройствах низкого уровня, отправляя им сигнальные сообщения, такие как команды передачи обслуживания.

Каждый eNB соединяется с EPC посредством интерфейса S1, и он также может быть подключен к соседним базовым станциям через интерфейс X2, который в основном используется для сигнализации и пересылки пакетов во время передачи обслуживания.

Домашний eNB (HeNB) — это базовая станция, которая была приобретена пользователем для обеспечения покрытия фемтосот внутри дома. Домашний eNB принадлежит к закрытой группе абонентов (CSG) и может быть доступен только с мобильных телефонов с USIM, который также принадлежит к закрытой группе абонентов.

Evolved Packet Core (EPC) (Базовая сеть)

Архитектура Evolved Packet Core (EPC) была проиллюстрирована ниже. Есть еще несколько компонентов, которые не показаны на диаграмме для простоты. Эти компоненты похожи на Систему предупреждения о землетрясениях и цунами (ETWS), Регистр идентификации оборудования (EIR) и Функцию управления политиками и правил зарядки (PCRF).

Ниже приводится краткое описание каждого из компонентов, показанных в приведенной выше архитектуре:

• Компонент Домашний абонентский сервер (HSS) перенесен с UMTS и GSM и представляет собой центральную базу данных, которая содержит информацию обо всех абонентах оператора сети.

• Шлюз сети пакетной передачи данных (PDN) (P-GW) связывается с внешним миром, т.е. сети пакетной передачи данных PDN, использующие интерфейс SGi. Каждая сеть пакетной передачи данных идентифицируется именем точки доступа (APN). Шлюз PDN выполняет ту же роль, что и узел поддержки GPRS (GGSN) и обслуживающий узел поддержки GPRS (SGSN) с UMTS и GSM.

• Обслуживающий шлюз (S-GW) действует как маршрутизатор и передает данные между базовой станцией и шлюзом PDN.

• Объект управления мобильностью (MME) управляет работой мобильного уровня высокого уровня посредством сигнальных сообщений и домашнего абонентского сервера (HSS).

• Функция правил управления политиками и начисления платы (PCRF) — это компонент, который не показан на приведенной выше диаграмме, но он отвечает за принятие решений по управлению политикой, а также за управление функциями начисления платы на основе потоков в функции реализации управления политиками ( PCEF), который находится в P-GW.

Компонент Домашний абонентский сервер (HSS) перенесен с UMTS и GSM и представляет собой центральную базу данных, которая содержит информацию обо всех абонентах оператора сети.

Шлюз сети пакетной передачи данных (PDN) (P-GW) связывается с внешним миром, т.е. сети пакетной передачи данных PDN, использующие интерфейс SGi. Каждая сеть пакетной передачи данных идентифицируется именем точки доступа (APN). Шлюз PDN выполняет ту же роль, что и узел поддержки GPRS (GGSN) и обслуживающий узел поддержки GPRS (SGSN) с UMTS и GSM.

Обслуживающий шлюз (S-GW) действует как маршрутизатор и передает данные между базовой станцией и шлюзом PDN.

Объект управления мобильностью (MME) управляет работой мобильного уровня высокого уровня посредством сигнальных сообщений и домашнего абонентского сервера (HSS).

Функция правил управления политиками и начисления платы (PCRF) — это компонент, который не показан на приведенной выше диаграмме, но он отвечает за принятие решений по управлению политикой, а также за управление функциями начисления платы на основе потоков в функции реализации управления политиками ( PCEF), который находится в P-GW.

Интерфейс между обслуживающим и шлюзами PDN известен как S5 / S8. Это имеет две слегка отличающиеся реализации, а именно S5, если два устройства находятся в одной сети, и S8, если они находятся в разных сетях.

Функциональное разделение между E-UTRAN и EPC

Следующая диаграмма показывает функциональное разделение между E-UTRAN и EPC для сети LTE:

2G / 3G по сравнению с LTE

В следующей таблице сравниваются различные важные сетевые элементы и протоколы сигнализации, используемые в 2G / 3G и LTE.

2G / 3G	LTE
GERAN и UTRAN	E-UTRAN
Узел SGSN / УОПД-ФА	S-GW
GGSN / PDSN-HA	PDN-GW
HLR / AAA	HSS
VLR	MME
СС7-MAP / ANSI-41 / RADIUS	Диаметр
DiameterGTPc-v0 и v1	GTPc-v2
MIP	PMIP

LTE роуминговая архитектура

Сеть, управляемая одним оператором в одной стране, известна как наземная мобильная сеть общего пользования (PLMN), и когда подписанный пользователь использует PLMN своего оператора, тогда говорят Home-PLMN, но роуминг позволяет пользователям выходить за пределы своей домашней сети и использовать ресурсы из сети другого оператора. Эта другая сеть называется Visited-PLMN.

Пользователь в роуминге подключен к E-UTRAN, MME и S-GW посещаемой сети LTE. Однако LTE / SAE позволяет использовать P-GW как гостевой, так и домашней сети, как показано ниже:

P-GW домашней сети позволяет пользователю получать доступ к услугам домашнего оператора, даже находясь в гостевой сети. P-GW в посещаемой сети позволяет осуществлять «локальный прорыв» в Интернет в посещаемой сети.

Интерфейс между обслуживающим и шлюзами PDN известен как S5 / S8. Это имеет две слегка отличающиеся реализации, а именно S5, если два устройства находятся в одной сети, и S8, если они находятся в разных сетях. Для мобильных телефонов, которые не находятся в роуминге, обслуживающий и PDN-шлюзы могут быть интегрированы в одно устройство, так что интерфейс S5 / S8 полностью исчезает.

Зарядка LTE роуминга

Сложности новых механизмов зарядки, необходимых для поддержки роуминга 4G, гораздо более распространены, чем в среде 3G. Несколько слов о предоплатной и постоплатной оплате за роуминг LTE приведены ниже:

• Предоплата — стандарт CAMEL, который обеспечивает предоплату в 3G, не поддерживается в LTE; следовательно, предоплаченная информация о клиенте должна направляться обратно в домашнюю сеть, а не обрабатываться локальной посещаемой сетью. В результате операторы должны полагаться на новые учетные потоки для доступа к предоплаченным данным клиентов, например, через свои P-шлюзы в средах IMS и не-IMS или через свои CSCF в среде IMS.

• Постоплатная зарядка — Постоплатная зарядка за использование данных работает в LTE так же, как и в 3G, используя версии TAP 3.11 или 3.12. При локальном отключении служб IMS требуется TAP 3.12.

Предоплата — стандарт CAMEL, который обеспечивает предоплату в 3G, не поддерживается в LTE; следовательно, предоплаченная информация о клиенте должна направляться обратно в домашнюю сеть, а не обрабатываться локальной посещаемой сетью. В результате операторы должны полагаться на новые учетные потоки для доступа к предоплаченным данным клиентов, например, через свои P-шлюзы в средах IMS и не-IMS или через свои CSCF в среде IMS.

Постоплатная зарядка — Постоплатная зарядка за использование данных работает в LTE так же, как и в 3G, используя версии TAP 3.11 или 3.12. При локальном отключении служб IMS требуется TAP 3.12.

Операторы не имеют такой же степени видимости действий абонентов, как в сценариях домашней маршрутизации в случае локальных сценариев прорыва, поскольку сеансы данных абонента хранятся в посещаемой сети; поэтому, чтобы домашний оператор мог собирать информацию в режиме реального времени как о клиентах с предоплатой, так и с постоплатой, он должен установить интерфейс Diameter между системами начисления платы и P-шлюзом посещаемой сети.

В случае локального прорыва сценария служб ims, посещаемая сеть создает подробные записи вызовов (CDR) из S-шлюза, однако эти CDR не содержат всей информации, необходимой для создания мобильного сеанса TAP 3.12 или обмена сообщениями запись события для использования сервиса. В результате операторы должны коррелировать CDR базовой сети передачи данных с CDR IMS для создания записей TAP.

LTE нумерация и адресация

Область сети LTE разделена на три различных типа географических областей, поясняемых ниже:

SN	Площадь и описание
1	Бассейны MME Это область, через которую мобильное устройство может перемещаться без изменения обслуживающей MME. Каждая область пула MME контролируется одним или несколькими MME в сети.
2	Зоны обслуживания S-GW Это область, обслуживаемая одним или несколькими обслуживающими шлюзами S-GW, через которые мобильное устройство может перемещаться без смены обслуживающего шлюза.
3	Зоны слежения Области пула MME и зоны обслуживания S-GW состоят из небольших неперекрывающихся блоков, известных как области слежения (TA). Они аналогичны областям местоположения и маршрутизации от UMTS и GSM и будут использоваться для отслеживания местоположения мобильных телефонов, которые находятся в режиме ожидания.

Бассейны MME

Это область, через которую мобильное устройство может перемещаться без изменения обслуживающей MME. Каждая область пула MME контролируется одним или несколькими MME в сети.

Зоны обслуживания S-GW

Это область, обслуживаемая одним или несколькими обслуживающими шлюзами S-GW, через которые мобильное устройство может перемещаться без смены обслуживающего шлюза.

Зоны слежения

Области пула MME и зоны обслуживания S-GW состоят из небольших неперекрывающихся блоков, известных как области слежения (TA). Они аналогичны областям местоположения и маршрутизации от UMTS и GSM и будут использоваться для отслеживания местоположения мобильных телефонов, которые находятся в режиме ожидания.

Таким образом, сеть LTE будет состоять из множества областей пула MME, множества зон обслуживания S-GW и множества зон слежения.

Сетевые идентификаторы

Сама сеть будет идентифицирована с использованием идентификатора наземной мобильной сети общего пользования (PLMN-ID), который будет иметь трехзначный код страны мобильной связи (MCC) и двух- или трехзначный код мобильной сети (MNC). Например, мобильный код страны для Великобритании — 234, а британская сеть Vodafone использует код мобильной сети — 15.

Идентификаторы MME

Каждый MME имеет три основных идентификатора. Код MME (MMEC) однозначно идентифицирует MME во всех областях пула. Группе MME назначается идентификатор группы MME (MMEGI), который работает вместе с MMEC для создания идентификатора MME (MMEI). MMEI однозначно идентифицирует MME в конкретной сети.

Если мы скомбинируем PLMN-ID с MMEI, мы получим глобально уникальный идентификатор MME (GUMMEI), который идентифицирует MME в любой точке мира:

Идентификаторы области слежения

Каждая область отслеживания имеет две основные идентичности. Код области отслеживания (TAC) идентифицирует область отслеживания в конкретной сети, и если мы объединим это с PLMN-ID, то получим глобально уникальную идентификацию области отслеживания (TAI).

Сотовые идентификаторы

Каждая ячейка в сети имеет три типа идентичности. Идентификатор ячейки E-UTRAN (ECI) идентифицирует ячейку в конкретной сети, в то время как глобальный идентификатор ячейки E-UTRAN (ECGI) идентифицирует ячейку в любой точке мира.

Физическая идентификация ячейки, которая является числом от 0 до 503 и отличает ячейку от ее непосредственных соседей.

Идентификатор мобильного оборудования

Международный идентификатор мобильного оборудования (IMEI) является уникальным идентификатором для мобильного оборудования, а Международный идентификатор мобильного абонента (IMSI) является уникальным идентификатором для UICC и USIM.

Временный идентификатор мобильного абонента M (M-TMSI) идентифицирует мобильное устройство для его обслуживающего MME. Добавление кода MME в M-TMSI приводит к S временному идентификатору мобильного абонента (S-TMSI), который идентифицирует мобильное устройство в зоне пула MME.

Наконец, добавление идентификатора группы MME и идентификатора PLMN с помощью S-TMSI приводит к глобально уникальному временному идентификатору (GUTI).

Архитектура протокола радиосвязи LTE

Архитектура протокола радиосвязи для LTE может быть разделена на архитектуру плоскости управления и архитектуру плоскости пользователя, как показано ниже:

На стороне плоскости пользователя приложение создает пакеты данных, которые обрабатываются с помощью протоколов, таких как TCP, UDP и IP, в то время как в плоскости управления протокол управления радиоресурсами (RRC) записывает сообщения сигнализации, которыми обмениваются базовая станция и мобильный. В обоих случаях информация обрабатывается с помощью протокола конвергенции пакетных данных (PDCP), протокола управления линией радиосвязи (RLC) и протокола управления доступом к среде (MAC) перед передачей на физический уровень для передачи.

Плоскость пользователя

Стек протоколов пользовательской плоскости между e-Node B и UE состоит из следующих подуровней:

• PDCP (протокол конвергенции пакетных данных)

• RLC (Radio Link Control)

• Средний контроль доступа (MAC)

PDCP (протокол конвергенции пакетных данных)

RLC (Radio Link Control)

Средний контроль доступа (MAC)

На пользовательской плоскости пакеты в базовой сети (EPC) инкапсулируются в конкретный протокол EPC и туннелируются между P-GW и eNodeB. В зависимости от интерфейса используются разные протоколы туннелирования. Туннельный протокол GPRS (GTP) используется на интерфейсе S1 между eNodeB и S-GW и на интерфейсе S5 / S8 между S-GW и P-GW.

Пакеты, принятые уровнем, называются блоком служебных данных (SDU), в то время как пакетный вывод уровня упоминается блоком протокольных данных (PDU), а IP-пакеты передаются в плоскости пользователя от верхнего к нижним уровням.

Плоскость управления

Плоскость управления дополнительно включает в себя уровень управления радиоресурсами (RRC), который отвечает за настройку нижних уровней.

Плоскость управления обрабатывает специфические для радио функции, которые зависят от состояния пользовательского оборудования, которое включает в себя два состояния: неактивное или подключенное.

Режим	Описание
вхолостую	Пользовательское оборудование располагается в ячейке после процесса выбора или повторного выбора ячейки, где учитываются такие факторы, как качество радиосвязи, состояние ячейки и технология радиодоступа. UE также контролирует пейджинговый канал для обнаружения входящих вызовов и получения системной информации. В этом режиме протоколы плоскости управления включают в себя процедуры выбора соты и повторного выбора.
Связано	UE предоставляет E-UTRAN информацию о качестве канала нисходящей линии связи и соседней соте, чтобы позволить E-UTRAN выбирать наиболее подходящую соту для UE. В этом случае протокол плоскости управления включает в себя протокол управления радиоканалом (RRC).

Стек протоколов для плоскости управления между UE и MME показан ниже. Серая область стека указывает протоколы уровня доступа (AS). Нижние уровни выполняют те же функции, что и для плоскости пользователя, за исключением того, что для плоскости управления нет функции сжатия заголовка.

Уровни стека протоколов LTE

Давайте внимательно рассмотрим все уровни, доступные в стеке протоколов E-UTRAN, которые мы видели в предыдущей главе. Ниже приведена более детальная схема стека протоколов E-UTRAN:

Физический уровень (уровень 1)

Физический уровень передает всю информацию из транспортных каналов MAC по радиоинтерфейсу. Заботится об адаптации линии (AMC), управлении мощностью, поиске соты (для целей начальной синхронизации и передачи обслуживания) и других измерениях (внутри системы LTE и между системами) для уровня RRC.

Средний уровень доступа (MAC)

Уровень MAC отвечает за отображение между логическими каналами и транспортными каналами, мультиплексирование SDU MAC из одного или разных логических каналов в транспортные блоки (TB), которые должны быть доставлены на физический уровень по транспортным каналам, за мультиплексирование SDU MAC из одного или разных логических каналов. каналы из транспортных блоков (TB), доставленные с физического уровня по транспортным каналам, представление информации о планировании, исправление ошибок посредством HARQ, обработка приоритетов между UE посредством динамического планирования, обработка приоритетов между логическими каналами одного UE, приоритезация логических каналов.

Контроль радиосвязи (RLC)

RLC работает в 3 режимах работы: прозрачный режим (TM), неподтвержденный режим (UM) и подтвержденный режим (AM).

Уровень RLC отвечает за передачу PDU верхнего уровня, исправление ошибок через ARQ (только для передачи данных AM), объединение, сегментацию и повторную сборку SDU RLC (только для передачи данных UM и AM).

RLC также отвечает за повторную сегментацию PDU данных RLC (только для передачи данных AM), переупорядочение PDU данных RLC (только для передачи данных UM и AM), обнаружение дубликатов (только для передачи данных UM и AM), сброс RLC SDU (Только для передачи данных UM и AM), восстановление RLC и обнаружение ошибок протокола (Только для передачи данных AM).

Контроль радиоресурсов (RRC)

Основные услуги и функции подуровня RRC включают в себя широковещательную передачу системной информации, относящейся к слою отсутствия доступа (NAS), широковещательную передачу системной информации, относящейся к слою доступа (AS), пейджинг, установление, поддержание и освобождение соединения RRC между UE и E-UTRAN, Функции безопасности, включая управление ключами, установление, настройку, обслуживание и выпуск двухточечных радиоканалов.

Контроль сходимости пакетных данных (PDCP)

Уровень PDCP отвечает за сжатие заголовка и декомпрессию IP-данных, передачу данных (пользовательская плоскость или плоскость управления), поддержание порядковых номеров PDCP (SN), последовательная доставка PDU верхнего уровня при восстановлении нижних уровней, дублирование устранение SDU нижнего уровня при повторном установлении нижних уровней для радиоканалов, отображенных на RLC AM, шифрование и дешифрование данных плоскости пользователя и данных плоскости управления, защита целостности и проверка целостности данных плоскости управления, отбрасывание на основе таймера, отбрасывание дубликатов, PDCP используется для SRB и DRB, отображаемых на логических каналах типа DCCH и DTCH.

Протоколы не уровня доступа (NAS)

Протоколы слоя без доступа (NAS) формируют самый высокий уровень плоскости управления между пользовательским оборудованием (UE) и MME.

Протоколы NAS поддерживают мобильность UE и процедуры управления сеансами для установления и поддержания IP-соединения между UE и PDN GW.

Поток данных слоев LTE

Ниже приведена логическая схема уровней протокола E-UTRAN с изображением потока данных через различные уровни:

Пакеты, принятые уровнем, называются блоком служебных данных (SDU), в то время как пакетный вывод уровня упоминается блоком протокольных данных (PDU). Давайте посмотрим поток данных сверху вниз:

• Уровень IP отправляет SDU PDCP (пакеты IP) на уровень PDCP. Уровень PDCP выполняет сжатие заголовка и добавляет заголовок PDCP к этим SDU PDCP. Уровень PDCP передает PDU PDCP (SDU RLC) на уровень RLC.

  Сжатие заголовка PDCP : PDCP удаляет заголовок IP (минимум 20 байтов) из PDU и добавляет токен из 1-4 байтов. Что обеспечивает огромную экономию в количестве заголовка, который в противном случае пришлось бы передавать по воздуху.

  

• Уровень RLC выполняет сегментацию этих SDUS для создания блоков PDU RLC. RLC добавляет заголовок на основе режима работы RLC. RLC передает эти RLC PDU (MAC SDU) на уровень MAC.

  Сегментация RLC : Если SDU RLC большой или доступная скорость передачи радиоданных низкая (что приводит к небольшим транспортным блокам), SDU RLC может быть разделен между несколькими PDU RLC. Если RLC SDU мала или доступная скорость передачи радиоданных высока, несколько RLC SDU могут быть упакованы в один PDU.

• Уровень MAC добавляет заголовок и выполняет заполнение для соответствия этому SDU MAC в TTI. Уровень MAC отправляет PDU MAC на физический уровень для передачи по физическим каналам.

• Физический канал передает эти данные в слоты субкадра.

Уровень IP отправляет SDU PDCP (пакеты IP) на уровень PDCP. Уровень PDCP выполняет сжатие заголовка и добавляет заголовок PDCP к этим SDU PDCP. Уровень PDCP передает PDU PDCP (SDU RLC) на уровень RLC.

Сжатие заголовка PDCP : PDCP удаляет заголовок IP (минимум 20 байтов) из PDU и добавляет токен из 1-4 байтов. Что обеспечивает огромную экономию в количестве заголовка, который в противном случае пришлось бы передавать по воздуху.

Уровень RLC выполняет сегментацию этих SDUS для создания блоков PDU RLC. RLC добавляет заголовок на основе режима работы RLC. RLC передает эти RLC PDU (MAC SDU) на уровень MAC.

Сегментация RLC : Если SDU RLC большой или доступная скорость передачи радиоданных низкая (что приводит к небольшим транспортным блокам), SDU RLC может быть разделен между несколькими PDU RLC. Если RLC SDU мала или доступная скорость передачи радиоданных высока, несколько RLC SDU могут быть упакованы в один PDU.

Уровень MAC добавляет заголовок и выполняет заполнение для соответствия этому SDU MAC в TTI. Уровень MAC отправляет PDU MAC на физический уровень для передачи по физическим каналам.

Физический канал передает эти данные в слоты субкадра.

Каналы связи LTE

Информационные потоки между различными протоколами известны как каналы и сигналы. LTE использует несколько различных типов логических, транспортных и физических каналов, которые различаются по виду информации, которую они несут, и по способу обработки информации.

• Логические каналы : Определите, какой тип информации передается по радиоканалу, например, каналы трафика, каналы управления, системное вещание и т. Д. Сообщения и сигнальные сообщения передаются по логическим каналам между протоколами RLC и MAC.

• Транспортные каналы : определите, как что-то передается по воздуху, например, что такое кодирование, параметры чередования, используемые для передачи данных. Данные и сообщения сигнализации передаются по транспортным каналам между MAC и физическим уровнем.

• Физические каналы : определите, где что-то передается по воздуху, например, первые N символов в кадре DL. Данные и сигнальные сообщения передаются по физическим каналам между различными уровнями физического уровня.

Логические каналы : Определите, какой тип информации передается по радиоканалу, например, каналы трафика, каналы управления, системное вещание и т. Д. Сообщения и сигнальные сообщения передаются по логическим каналам между протоколами RLC и MAC.

Транспортные каналы : определите, как что-то передается по воздуху, например, что такое кодирование, параметры чередования, используемые для передачи данных. Данные и сообщения сигнализации передаются по транспортным каналам между MAC и физическим уровнем.

Физические каналы : определите, где что-то передается по воздуху, например, первые N символов в кадре DL. Данные и сигнальные сообщения передаются по физическим каналам между различными уровнями физического уровня.

Логические каналы

Логические каналы определяют, какой тип данных передается. Эти каналы определяют услуги передачи данных, предлагаемые уровнем MAC. Данные и сигнальные сообщения передаются по логическим каналам между протоколами RLC и MAC.

Логические каналы можно разделить на каналы управления и каналы трафика. Канал управления может быть общим или выделенным каналом. Общий канал означает общий для всех пользователей в ячейке (точка-многоточие), в то время как выделенные каналы означают, что каналы могут использоваться только одним пользователем (точка-точка).

Логические каналы отличаются информацией, которую они несут, и могут быть классифицированы двумя способами. Во-первых, логические каналы трафика переносят данные в плоскости пользователя, тогда как логические каналы управления переносят сообщения сигнализации в плоскости управления. В следующей таблице перечислены логические каналы, которые используются LTE:

Название канала	Акроним	Канал управления	Канал трафика
Канал управления вещанием	УВК	Икс
Пейджинговый канал управления	ФКУ	Икс
Общий канал управления	ОКУ	Икс
Выделенный канал управления	СКУ	Икс
Канал управления многоадресной передачей	MCCH	Икс
Выделенный канал трафика	DTCH		Икс
Канал многоадресного трафика	МТСН		Икс

Транспортные каналы

Транспортные каналы определяют, как и с какими типами характеристик данные передаются физическим уровнем. Данные и сообщения сигнализации передаются по транспортным каналам между MAC и физическим уровнем.

Транспортные каналы отличаются тем, как процессор транспортных каналов управляет ими. В следующей таблице перечислены транспортные каналы, которые используются LTE:

Название канала	Акроним	Downlink	Uplink
Вещательный канал	МПБ	Икс
Общий канал нисходящей линии связи	DL-SCH	Икс
Пейджинговый канал	PCH	Икс
Multicast Channel	MCH	Икс
Общий канал восходящей связи	UL-SCH		Икс
Канал произвольного доступа	КСД		Икс

Физические каналы

Данные и сигнальные сообщения передаются по физическим каналам между различными уровнями физического уровня и, соответственно, они делятся на две части:

• Физические каналы передачи данных

• Каналы физического контроля

Физические каналы передачи данных

Каналы физического контроля

Физические каналы данных

Физические каналы данных различаются способами, которыми процессор физических каналов управляет ими, и способами, которыми они отображаются на символы и поднесущие, используемые ортогональным мультиплексированием с частотным разделением (OFDMA). В следующей таблице перечислены физические каналы данных , которые используются LTE:

Название канала	Акроним	Downlink	Uplink
Физический нисходящий общий канал	PDSCH	Икс
Физический вещательный канал	PBCH	Икс
Физический многоадресный канал	PMCH	Икс
Физический совместно используемый канал восходящей линии связи	PUSCH		Икс
Физический канал произвольного доступа	PRACH		Икс

Процессор транспортного канала составляет несколько типов управляющей информации, чтобы поддерживать низкоуровневую работу физического уровня. Они перечислены в таблице ниже:

Имя поля	Акроним	Downlink	Uplink
Информация управления нисходящей линии связи	DCI	Икс
Индикатор формата управления	CFI	Икс
Гибридный индикатор ARQ	ПРИВЕТ	Икс
Управляющая информация восходящей линии связи	UCI		Икс

Каналы физического контроля

Процессор транспортного канала также создает управляющую информацию, которая поддерживает низкоуровневую работу физического уровня, и отправляет эту информацию процессору физического канала в форме физических каналов управления.

Информация распространяется до процессора транспортного канала в приемнике, но полностью невидима для верхних уровней. Точно так же процессор физического канала создает физические сигналы, которые поддерживают аспекты самого низкого уровня системы.

Физические каналы управления перечислены в таблице ниже:

Название канала	Акроним	Downlink	Uplink
Физический контроль формата индикатора канала	PCFICH	Икс
Физический гибридный индикаторный канал ARQ	PHICH	Икс
Физический канал управления нисходящей линии связи	PDCCH	Икс
Реле физического нисходящего канала управления	R-PDCCH,	Икс
Физический канал управления восходящей линии связи	PUCCH		Икс

Базовая станция также передает два других физических сигнала, которые помогают мобильной станции получить базовую станцию ​​после первого включения. Они известны как первичный сигнал синхронизации (PSS) и вторичный сигнал синхронизации (SSS).

Технология LTE OFDM

Чтобы преодолеть влияние проблемы многолучевого замирания, доступной в UMTS, LTE использует мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) для нисходящей линии связи, то есть от базовой станции к терминалу для передачи данных по многим узким полосам частот по 180 кГц каждая вместо каждой расширения одного сигнала по всей ширине полосы частот 5 МГц, т.е. OFDM использует большое количество узких поднесущих для передачи с множеством несущих для переноса данных.

Ортогональное мультиплексирование с частотным разделением (OFDM) — это схема мультиплексирования с частотным разделением (FDM), используемая в качестве метода цифровой модуляции с множеством несущих.

OFDM отвечает требованиям LTE в отношении гибкости спектра и обеспечивает экономически эффективные решения для очень широких несущих с высокими пиковыми скоростями. Основной физический ресурс нисходящей линии связи LTE можно рассматривать как частотно-временную сетку, как показано на рисунке ниже:

Символы OFDM сгруппированы в блоки ресурсов. Блоки ресурсов имеют общий размер 180 кГц в частотной области и 0,5 мс во временной области. Каждый интервал времени передачи 1 мс (TTI) состоит из двух временных интервалов (Tslot).

Каждому пользователю выделяется несколько так называемых блоков ресурсов в сетке time.frequency. Чем больше блоков ресурсов получает пользователь, и чем выше модуляция, используемая в элементах ресурса, тем выше скорость передачи данных. Какие блоки ресурсов и сколько пользователь получает в данный момент времени, зависит от продвинутых механизмов планирования в частотном и временном измерениях.

Механизмы планирования в LTE аналогичны тем, которые используются в HSPA, и обеспечивают оптимальную производительность для разных служб в разных средах радиосвязи.

Преимущества OFDM

• Основным преимуществом OFDM над схемами с одной несущей является его способность справляться с жесткими условиями канала (например, затухание высоких частот в длинном медном проводе, узкополосные помехи и частотно-избирательное замирание из-за многолучевого распространения) без сложных фильтров выравнивания.

• Выравнивание канала упрощается, поскольку OFDM можно рассматривать как использование множества медленно модулированных узкополосных сигналов, а не одного быстро модулированного широкополосного сигнала.

• Низкая скорость передачи символов делает возможным использование защитного интервала между символами, что позволяет устранить межсимвольные помехи (ISI).

• Этот механизм также облегчает проектирование одночастотных сетей (SFN), где несколько соседних передатчиков посылают один и тот же сигнал одновременно на одной и той же частоте, поскольку сигналы от нескольких удаленных передатчиков могут быть конструктивно объединены, а не создавать помехи, как это обычно происходит в традиционных система с одной несущей.

Основным преимуществом OFDM над схемами с одной несущей является его способность справляться с жесткими условиями канала (например, затухание высоких частот в длинном медном проводе, узкополосные помехи и частотно-избирательное замирание из-за многолучевого распространения) без сложных фильтров выравнивания.

Выравнивание канала упрощается, поскольку OFDM можно рассматривать как использование множества медленно модулированных узкополосных сигналов, а не одного быстро модулированного широкополосного сигнала.

Низкая скорость передачи символов делает возможным использование защитного интервала между символами, что позволяет устранить межсимвольные помехи (ISI).

Этот механизм также облегчает проектирование одночастотных сетей (SFN), где несколько соседних передатчиков посылают один и тот же сигнал одновременно на одной и той же частоте, поскольку сигналы от нескольких удаленных передатчиков могут быть конструктивно объединены, а не создавать помехи, как это обычно происходит в традиционных система с одной несущей.

Недостатки OFDM

• Высокое отношение пика к среднему

• Чувствителен к сдвигу частоты, а значит и к допплеровскому смещению

Высокое отношение пика к среднему

Чувствителен к сдвигу частоты, а значит и к допплеровскому смещению

Технология SC-FDMA

LTE использует в восходящей линии связи предварительно кодированную версию OFDM, называемую множественным доступом с частотным разделением с одной несущей (SC-FDMA). Это должно компенсировать недостаток с обычным OFDM, который имеет очень высокое отношение пиковой мощности к средней (PAPR).

Высокая PAPR требует дорогих и неэффективных усилителей мощности с высокими требованиями к линейности, что увеличивает стоимость терминала и быстрее разряжает батарею.

SC-FDMA решает эту проблему, группируя блоки ресурсов таким образом, чтобы уменьшить потребность в линейности и, следовательно, в потребляемой мощности усилителя мощности. Низкое PAPR также улучшает покрытие и производительность на границе соты.

LTE Глоссарий