LTE Advanced

Transkript

LTE Advanced

Komunikační systémy pro perspektivní kmitočtová pásma
LTE Advanced
Jan Prokopec
Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně
Long Term Evolution - LTE
Obsah prezentace
1
Základní vlastnosti LTE-SAE
Fyzická vrstva dle Release 8
Frekvenční pásma
Rádiové rozhraní
Základní parametry fyzické vrstvy
Používané modulace
Diverzita a prostorový multiplexing
Orthogonal Frequency Division Multiple Access pro downlink
Single Carrier Frequency Division Multiple Access
Zpracování dat ve fyzické vrstvě
Hybridní ARQ
Cyclic Redundancy Check
Kanálové kódování a rate matching
Mapování fyzických kanálu do resource grid
Scheduling
LTE Time Divission Duplex
Vrstvový model LTE
Srovnání LTE s ostatními standardy
Self Organizing Networks
2
LTE Advanced
J. Prokopec (UREL FEKT VUT)
MSMK
květen 2012
1 / 104
Obsah prezentace
1
Rádiové rozhraní
Hybridní ARQ
Scheduling
Vrstvový model LTE
2
LTE Advanced
MSMK
květen 2012
2 / 104
Motivace
CS/PS zpětná podpora
u WCDMA
Interference mezi uživateli
Výhody OFDM pro mobilní
příjem
Propustnost sítě na
rozhraní buněk
Cell Breathing
TDD/FDD funkcionality
spektrální flexibilita
výhled až do roku 2020
to dobré z UMTS použít...
MSMK
květen 2012
3 / 104
Latence WCDMA
složitá struktura UTRAN/GERAN
velké množství logických,
transportních a fyzických kanálů
dlouhý Transmission Time
Interval (TTI), vylepšení u HSPA
Modulace pouze QPSK, postupně
implementovány další typy MQAM
modulací
problémy a přidělováním
vyhrazených kanálů
omezené množství kódů
z Walshova stromu
MSMK
květen 2012
4 / 104
2G / 3G Mobile
Layer 3
Basestation
Layer 1
Layer 2
Synchronisation
Broadcast
Access Request
Negotiation
Ready
Grant
Link Request
Negotiation
Ready
Grant
Mobility
Negotiation
Bearer setup
Negotiation
Grant
Ready
Slide 11
MSMK
květen 2012
5 / 104
LTE Mobile
Layer 3
Basestation
Layer 1
Layer 2
Synchronisation
Broadcast
Access Request
Piggybacked
setup request
Bearer setup
Mobility
Negotiation
Ready
Grant
Bearer setup
Mobility
Link Request
Negotiation
Ready
Ready
Ready
(Less time wasted getting
you onto the internet…)
Slide 12
MSMK
květen 2012
6 / 104
Evoluce mobilních sítí
Změna modulace (GPRS
⇒ EDGE)
Dual Carrier (EDGE ⇒
EDGE II )
Vylepšení MAC vrstvy
(HARQ)
Zkrácení TTI
Využití MIMO anténních
systémů
EDGE II, HSPA, HSPA+
MSMK
květen 2012
7 / 104
Požadavky pro LTE
Jako reference HSPA Rel. 6
Peak data rates
Downlink ≈ 100 Mbps vs. 14 Mbps
Uplink ≈ 50 Mbps vs. 5.76 Mbps
Nízká latence
RTT ≤ 10 ms
Call setup ≤ 50 ms
Intersystem HO ≤ 500 ms
Variable system bandwidth 1,4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz
Kapacita systému 2 - 4 krát lepší
Beamforming, MIMO, mobilita
MSMK
květen 2012
8 / 104
Směle vzhůru...
DL LTE(20MHz) 300M
Downlink Speeds
DL LTE(20MHz) 140M
Mbps
100 Mbps
MIMO/64QAM 42M
UL LTE (10MHz) 50M
MIMO 2x2 28M
UL LTE (10MHz) 25M
HSDPA 14.4M
10 Mbps
HSDPA 3.6M
HSDPA 1.8M
100 kbps
2004
Uplink Speeds
HSUPA 5.6M
• HSPA DL and UL peak throughputs expected
to double every year on average
0ESV
HSUPA 1.5M
1 Mbps
DL R’99-384k
Mbps
HSUPA/16QAM 11M
HSDPA 7.2M
• Limitations not induced by the technology itself
but time frames required to upgrade
infrastructure and transport networks, obtain
devices with corresponding capabilities and
interoperability tests
UL R’99 384k
kbps
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
Mooreův zákon pro bezdrátové sítě
MSMK
květen 2012
9 / 104
... k teoretickým předpokladům ...
6
Shannon bound
Shannon bound with 3dB margin
HSDPA
EV-DO
IEEE 802.16e-2005
Achievable Efficiency (bps/Hz)
5
4
3
2
1
0
-15
-10
-5
0
5
Required SNR (dB)
MSMK
10
15
20
květen 2012
10 / 104
... už na dohled
MSMK
květen 2012
11 / 104
Struktura LTE-SAE
Podpora IP protokolu
Gateway do IP sítí
HSS Home Subscriber
Server/HLR
SGSN pro GPRS a
WCDMA
Připojení ostatních
bezdrátových technologií
EPC Evolved Packet Core
EPS Evolved Packet
System
IMS IP Multimedia
Subsystem
MSMK
květen 2012
12 / 104
Architektura LTE
eUTRAN evolved UTRAN
eNodeB
UE
eNodeB přebírá
funkcionality RNC
Zakončení všech protokolů
RAN
Zjednodušená topologie
zrychluje odezvu
Pouze PS
VoIP
PCRF Policy and Charging
Resource Function
SAE System Architecture
GW
SGW Serving GW
PGW Packet GW
MME Mobility Management
Entity
MSMK
květen 2012
13 / 104
Obsah prezentace
1
Rádiové rozhraní
Hybridní ARQ
Scheduling
Vrstvový model LTE
2
LTE Advanced
MSMK
květen 2012
14 / 104
Frekvenční pásma pro párované spektrum FDD
Kapacita sítě vs. pokrytí oblasti
Označení
Pásmo 1
Pásmo 2
Pásmo 3
Pásmo 4
Pásmo 5
Pásmo 6
Pásmo 7
Pásmo 8
Pásmo 9
Pásmo 10
Pásmo 11
Pásmo 12
Pásmo 13
Pásmo 14
Pásmo 17
Pásmo 18
Pásmo 19
Frekvenční pásmo
2100 MHz
1900 MHz
1800 MHz
1700 MHz
850 MHz
800 MHz
2600 MHz
2100 MHz
1700 MHz
1700 MHz
1500 MHz
US700 MHz
US700 MHz
US700 MHz
US700 MHz
Japan800 MHz
Japan800 MHz
Celková šířka
2×60 MHz
2×60 MHz
2×75 MHz
2×45 MHz
2×25 MHz
2×10 MHz
2×70 MHz
2×35 MHz
2×35 MHz
2×60 MHz
2×25 MHz
2×18 MHz
2×10 MHz
2×10 MHz
2×10 MHz
2×15 MHz
2×15 MHz
MSMK
Uplink [MHz]
1920-1980
1850-1910
1710-1785
1710-1755
824-849
830-840
2500-2570
880-915
1749.9-1784.9
1710-1770
1427.9-1452.9
688-716
777-787
788-798
704-716
815-830
830-845
Downlink[MHz]
2110-2170
1930-1990
1805-1880
2110-2155
869-894
875-885
2620-2690
925-960
1844.9-1879.9
2110-2170
1476.9-1800.9
728-746
746-756
758-768
734-746
860-875
875-890
květen 2012
15 / 104
Frekvenční pásma pro nepárové spektrum TDD
Vyšší kapacita sítě
Označení
Pásmo 33
Pásmo 34
Pásmo 35
Pásmo 36
Pásmo 37
Pásmo 38
Pásmo 39
Pásmo 35
Frekvenční pásmo
UMTS TDD1
UMTS TDD2
US 1900UL
US 1900DL
US 1900
2600
UMTS TDD
2300
MSMK
Celková šířka
1 x 20 MHz
1 x 15 MHz
1 x 60 MHz
1 x 60 MHz
1 x 20 MHz
1 x 50 MHz
1 x 40 MHz
1 x 100 MHz
Uplink [MHz]
1900-1920
2010-2025
1850-1910
1930-1990
1910-1930
2570-2620
1880-1920
2300-2400
květen 2012
16 / 104
Přehled parametrů fyzické vrstvy
Obrázek: Variabilita frekvenčního kanálu a možnosti duplexního provozu [?]
šířka kanálu [MHz]
počet Resource blocks
Modulace
Downlink
Uplink
MIMO
Downlink
MSMK
1.4
6
3
15
5
25
10
50
15
75
20
100
QPSK, 16QAM, 64QAM
QPSK, 16QAM, 64QAMa
2 × 2, 4 × 4
květen 2012
17 / 104
Používané modulace pro Traffic Channels, PDSCH, PUSCH
1
0.8
Vnitřní modulace OFDM
symbolu
0.6
0.4
Adaptive Modulation and
Coding (CQI)
0.2
Řídící kanály používají
modulace s nižším počtem
stavů
Pro uplink je 64QAM
volitelná
Q phase
QPSK, 16QAM, 64QAM
0
−0.2
−0.4
−0.6
−0.8
−1
−1
−0.8
MSMK
−0.6
−0.4
−0.2
0
0.2
I phase
0.4
0.6
0.8
květen 2012
1
18 / 104
Modulation BER, no coding
0
10
Mobilní nebo statický
uživatel
16QAM, R
16QAM, R div
QPSK, A
QPSK, R
−1
10
fmax =
v
cos(θ)
λ
Vícecestné šíření
BER
Dopplerův posuv
−2
10
−3
10
a mnoho dalších vlivů ...
−4
10
0
MSMK
2
4
6
8
10
Eb/N0 [dB]
12
14
16
18
květen 2012
19 / 104
Transmitter
t0
Tx
SISO
Rx
Tx
SIMO
Rx
Tx
MISO
Rx
Tx
MIMO
Rx
Receiver
t
τ1
τ2 τ 3
τ4
t
MSMK
květen 2012
20 / 104
A1
A1
A2
PedA
PedB
A3
A5
A4
A2
A3
A4
A6
τ4
τ1
τ2
τ3
τ1
τ2
t
τ3
τ5
τ6
t
τ4
A1
A2
A3
A4
VehA
A5
A6
MSMK
květen 2012
21 / 104
Single Input Single Output
dynamika úrovně přijatého signálu
městské prostředí, rychlost chodce, fDmax = 10Hz
MSMK
květen 2012
22 / 104
Single Input Single Output
dynamika úrovně přijatého signálu
městské prostředí, rychlost vozidla, fDmax = 100Hz
MSMK
květen 2012
23 / 104
Single Input Multiple Output
1 Tx + M Rx antén
Vytvoření nekorelovaných přenosových kanálů
Různé typy příjmu, základním typem je výběr signálu
Switching Diversity
Selecting Diversity
se znalostí vysílaného signálu lze využít adaptivní přístup
Maximum Ratio Combining
Minimum Mean Square Error
Interference Rejection Combining při použití beamformingu přijímací antény
Při výskytu výrazných zdrojů rušení
MSMK
květen 2012
24 / 104
Multiple Input Single Output
M Tx + 1 Rx anténa
Vysílací diverzita se zpětnou vazbou
Channel-State Information (CSI) se přenáší nezávislým kanálem zpět na vysílací stranu
Nastavení adaptivních vah na vysílací straně
Není vhodné pro systémy s velkou mobilitou
Nespolehlivost přenosu CSI způsobuje pokles SNR
Vysílací diverzita bez zpětné vazby
Na vysílací straně jsou signály předzpracovány pro zajištění efektivního příjmu
Kombinace s časovou nebo frekvenční diverzitou
CDD Cyclic Delay Diversity
STTD, SFTD (Space Time/Frequency Diversity)
STBC, SFBC (Space Time/Frequency Block Coding)
FSTD Frequency Shift Time Diversity
MSMK
květen 2012
25 / 104
Multiple Input Multiple Output
H
n1
h1,1
s1
r1
h1,2
Tx
ŝ1
Rx
h2,1
s2
r2
h2,2
ŝ2
n2
R=
r1
r2
=
h1,1
h2,1
h1,2
h2,2
s1
n1
·
+
= Hs + n
s2
n2
MSMK
květen 2012
26 / 104
Spektrální a výkonová účinnost
C = B log2
S
1+
N
Spektrální účinnost
γ=
fb
B
[bps/Hz]
Počet bitů na symbol
Nutno odečíst pilotní nosné
V závislosti na šířce kanálu se mění spektrální účinnost systému
Overhead řídících kanálů
Výkonová účinnost
MSMK
květen 2012
27 / 104
Spectral Efficiency (bps/Hz/sector)
Spektrální účinnost pro Downlink
Future
improvements
2.5
2.4
2.3
2.2
2.1
2.0
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
LTE
4X4 MIMO
LTE
4X2 MIMO
Future
improvements
LTE
2X2 MIMO
HSPA+
SIC, 64 QAM
Future
improvements
Rel 1.5
4X2 MIMO
Future
improvements
Rel 1.5
2X2 MIMO
Rev B
Cross-Carrier
Scheduling
HSPA+
2X2 MIMO
HSDPA
MRxD,
Equalizer
Rel 1.0
2X2 MIMO
Rev A,
MRxD,
Equalizer
HSDPA
EV-DO Rev 0
UMTS R’99
UMTS/HSPA
LTE
CDMA2000
MSMK
WiMAX
květen 2012
28 / 104
Spektrální účinnost pro Uplink
Spectral Efficiency (bps/Hz/sector)
1.0
LTE 1x4
Receive
Diversity
0.9
Future
Improvements
0.8
Rel 1.5
1X4
Receive
Diversity
0.7
0.6
LTE 1X2
Receive
Diversity
Future
Improvements
0.5
HSPA+
Interference
Cancellation,
16 QAM
0.4
Future
Improvements
Rel 1.5 1X2
Rx Div
EV-DO Rev B,
Interference
Cancellation
Rel
1.0
0.3
0.2
HSUPA Rel 6
0.1
UMTS R’99
to Rel 5
UMTS/HSPA
EV-DO
Rev A
EV-DO
Rev 0
LTE
CDMA2000
MSMK
WiMAX
květen 2012
29 / 104
OFDM
sin(pf/f )
(pf/f )
Subcarrier
spectrum
2
Pulse shape
Tu 1/f
4f 3f 2f f
Time domain
x(t) =
NX
c −1
k =0
0
f
2f
3f
4f
Frequency domain
xk (t) =
NX
c −1
(m)
ak
exp (j2πk ∆ft)
k =0
f 1/Tu
MSMK
květen 2012
30 / 104
OFDM modulátor s využitím IFFT
MQAM
MUX
[ak , bk ]
..
.
IFFT
..
.
DEMUX
[ak , bk ]
[ak +1 , bk +1 ]
. . . 100011101011 . . .
OFDM
CP
[ak +N , bk +N ]
S(f )
Vnitřní modulátor
subnosné
s(t)
IFFT pro N = 2n
problém s ISI a ICI
MSMK
květen 2012
31 / 104
Vkládání cyklického prefixu
Copy and insert
a0
OFDM
mod.
(IFFT )
aN
c1
CP
insertion
Tu Tcp
(N NCP samples)
Tu
(N samples)
TCP
t
Tu
Direct path
Reflected path
t
Integration interval for
demodulation of
direct path
Ideal
Ideal
a)
0
t
t
No ISI, ICI
Tg
ISI
d)
b)
0
0
t
τ
τ
No ISI, No ICI
Tg
No ISI
e)
c)
0
τ
0
t
t
τ
CP
CP
t
MSMK
květen 2012
32 / 104
Single wideband carrier
OFDM signal
Subcarrier experiencing
very bad channel quality
Power density (dBm/30 kHz)
30.0
OFDM
20.0
10.0
0.0
⫺10.0
⫺20.0
WCDMA
⫺30.0
⫺40.0
⫺50.0
⫺3.5 ⫺3.0 ⫺2.5 ⫺2.0 ⫺1.5 ⫺1.0 ⫺0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Frequency (MHz)
MSMK
květen 2012
33 / 104
Modulátor OFDMA pro LTE
MSMK
květen 2012
34 / 104
OFDMA struktura
RB se skládá z 12 subnosných po 15 kHz
RB se skládají okolo DC subcarrier ve středu pásma
One resource block (12 subcarriers, 180 kHz)
f 15 kHz
DC - subcarrier
NRB resource blocks (12NRB 1 subcarrier)
MSMK
květen 2012
35 / 104
Časově frekvenční struktura pro FDD
1 frame frame
10 ms
1 ms
#0
#1
#2
#3
#4
#5
#6
#7
#8
#9
Resource
Element
1 OFDM symbol
12
s
12
ub
su
bc
arr
ca
rrie
rs,
ier
∆f
s,
1
80
15
k
kH
Hz
z
12 sub × 7 sym = 1 resource block
1 slot, 0.5 ms
1 subframe, 1 ms
MSMK
květen 2012
36 / 104
Souhrn časově frekvenční struktury pro FDD
1 rádiový rámec (Radio Frame), doba trvání 10 ms
10 subrámců, doba trvání 1 ms
1 subrámec obsahuje 2 sloty po 0.5 ms
1 slot x 12 subnosných je 1 Resource block
1 slot obsahuje 7 (normální cyklický prefix) nebo 6 (prodloužený cyklický prefix) OFDM
symbolů
1 OFDM symbol na 1 subnosné je Resource Element
frekvenční rozestup subnosných je 15 kHz, pro MBMS sítě lze použít i ∆f = 7.5kHz
MSMK
květen 2012
37 / 104
SC-FDMA
N-bodová DFT podle počtu RB
Subcarrier mapping, padding
Localized
Distributed
M - point IDFT = IFFT M = 2n
MSMK
květen 2012
38 / 104
Obsah prezentace
1
Rádiové rozhraní
Hybridní ARQ
Scheduling
Vrstvový model LTE
2
LTE Advanced
MSMK
květen 2012
39 / 104
Funkce PHY vrstvy - Downlink
1 or 2 transport blocks of dynamic size per
TTI
Modulation
scheme
CRC
MAC
Error
indication
Hybrid-ARQ info
PHY
Redundancy version
Hybrid-ARQ
MAC
ACK/NAK
Redundancy version
Hybrid-ARQ info
MAC scheduler
ACK/NAK
Hybrid-ARQ
PHY
CRC check
Coding, rate matching
Decoding
Data modulation
Data demodulation
Antenna mapping
Antenna demapping
Resource mapping
Resource demapping
eNodeB
mobile
terminal
Antenna
assignment
Resource
assignment
MSMK
květen 2012
40 / 104
PHY Downlink
Fyzická vrstva provádí funkce kódování, modulace, mapování na antény a mapování
Resource blocks podle řízení z MAC vrstvy
do UE je nutné předat informaci o použitém režimu HARQ
HARQ informace se předávájí pomocí BCH
Přenáší se 1 nebo 2 (MIMO) transportní bloky v jednom TTI
MSMK
květen 2012
41 / 104
Funkce PHY vrstvy - Uplink
1 transport blocks of dynamic size per TTI
ACK/NAK
PHY
CRC check
Redundancy version
Hybrid-ARQ
MAC
Error
indication
Redundancy version
Decoding
Modulation
scheme
Data demodulation
Resource
assignment
Resource demapping
eNodeB
MAC
PHY
CRC
Coding, rate matching
From Node B scheduler
MAC scheduler
ACK/NAK
Hybrid-ARQ
Modulation
scheme
Data modulation
Resource
assignment
Resource mapping
mobile terminal
(UE)
MSMK
květen 2012
42 / 104
PHY Uplink
LTE nepodporuje MIMO pro uplink, proto se zpracovává pouze 1 transport block během TTI
Parametry pro modulaci a mapování jsou získány z řídících informací předaných
schedulerem na downlinku
odpadá mapování na antény
Standard definuje Multiuser MIMO
MSMK
květen 2012
43 / 104
Hybrid ARQ
Komunikace s potvrzeným přenosem ACK/NACK - ARQ Automatic Repeat Request
FEC kódování
HARQ spojuje možnost změny FEC při opakovaném přenosu informace nebo redundantních
bitů
Zvyšuje propustnost systému
Dva základní typy
Chase Combining (Soft Combining)
Incremental Redundancy
MSMK
květen 2012
44 / 104
Chase combining I
Info bits
CRC insertion,
rate-3/4 error-correcting coding
Coded bits
Transmitted
bits
Initial transmission
First retransmission
Second retransmission
Third retransmission
Bits input
to decoder
Accumulated
energy
Resulting
code rate
Eb
2Eb
3Eb
4Eb
R ⫽ 3/4
R ⫽3/4
R ⫽3/4
R ⫽3/4
MSMK
květen 2012
45 / 104
Chase Combining II
Vstupní bity jsou kódovány a připojeno CRC
Při opakovaném přenosu se přenáší stejný blok dat a zabezpečení
Na straně přijímače dochází ke zvyšování poměru Eb /N0
Zůstává stejný kódový poměr
Zvýšením SNR se zvyšuje pravděpodobnost správného dekódování
MSMK
květen 2012
46 / 104
Incremental redundancy
Info bits
CRC insertion,
rate-1/4 error-correcting coding
Coded bits
Puncturing to generate different
redundancy versions
Transmitted
bits
Redundancy version 1
Initial transmission
First retransmission
Second retransmission
Third retransmission
Bits input
to decoder
Accumulated
energy
Resulting
code rate
Eb
2Eb
3Eb
4Eb
R ⫽ 3/4
R ⫽3/8
R ⫽1/4
R ⫽ 1/4
MSMK
květen 2012
47 / 104
Incremental redundancy II
Kódování s menším kódovým poměrem = větší zabezpečení
Pomocí tečkování (Puncturing, Bit Pruning) se mění zabezpečení
Opakovaným přenosem se zvyšuje úroveň zabezpečení a zvyšuje poměr SNR
Počet retransmisí je typicky 3 + první přenos
MSMK
květen 2012
48 / 104
Používané typy kódování pro transportní kanály
Transport Channel (TrCH)
Použité kódování
Kódový poměr
Uplink Shared Channel (UL-SCH)
Downlink Shared Channel (DLSCH)
Paging Channel (PCH)
Turbo Coding
1/3
Multicast Channel (MCH)
Broadcast Channel (BCH)
Tail Biting
Convolutional Coding
1/3
Rate Matching a mapování do fyzických kanálů
UL/DL SCH Up/Down Shared channel
PCH Paging Channel
MCH Multicast Channel
BCH Broadcast Channel
MSMK
květen 2012
49 / 104
Používané typy kódování pro řídící informace
Control Information
Coding Scheme
Downlink Control Information (DCI)
Control Format Indicator (CFI)
Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ) indicator (HI)
Coding Rate
Tail biting
Convolutional
Coding
1/3
Block Code
1/16
Repetion Code
1/3
Block Code
Tail Biting
Convolutional
Coding
Uplink Control Information (UCI)
variable
DCI - Downlink Control Information
CFI - Control Format Indicator
HI - HARQ Indicator
UCI - Uplink Control Information
MSMK
květen 2012
50 / 104
Základní vlastnosti FEC
zpracování TB z MAC vrstvy probíhá následovně:
Detekce chyby pomocí CRC
celkem 4 typy CRC, délka 8, 16 nebo 24(a,b) bitů
Korekční kód
Konvoluční kód
PCCC Turbo kód (Parallel Concatenated Convolutional Code)
Rate Matching
Interleaving
Mapování do fyzických kanálů
MSMK
květen 2012
51 / 104
Konvoluční kódování
Jednoduché operace sčítání časově zpožděných bitů a vstupného bitu
Snadná změna kódového poměru (Puncturing pro Rate Matching)
Trellis konvolučního kódu
Viterbiho dekodér
ck
d k(0)
d k(1)
d k( 2)
MSMK
květen 2012
52 / 104
Turbo kódy I
Paralelně zřetězené konvoluční kódy, které využívají iterativní postup při dekódování. Vynikají
výbornými vlastnostmi při nízkých poměrech SNR.
Dva jednoduché konvoluční kodéry, na vstup prvního přicházejí informačními bity, na vstup
druhého proložené bity
Prokládací blok má významný vliv na výslednou chybovost
MSMK
květen 2012
53 / 104
Turbo kódy II - Dekódování
Princip kódu je známý několik desítek let
Vychází z BCJR algoritmu dekódování blokových kódů
dva nezávislé datové toky
jednotlivé dekodéry proto mají nezávislý zdroj informace
dekodér má na výstupu dvě hodnoty:
hodnota bitu (±1)
pravděpodobnost, že byl daný bit dekódován správně
existují dva základní algoritmy pro dekodéry
MAP Maximum Aposteriori Probability
SOVA Soft Output Viterbi Algoritmus
MSMK
květen 2012
54 / 104
Turbo kódy III
xk
1st constituent encoder
ck
D
D
zk
D
Output
Input
Turbo code internal
interleaver
2nd constituent encoder
zk
Output
ck
D
D
D
xk
MSMK
květen 2012
55 / 104
Transformace IP paketu na Transport Block
SAE bearer 1
SAE bearer 1
Header
PDCP
header
compression,
ciphering
Payload
Header
PDCP
header
RLC
segmentation,
concatenation
Header
Payload
PDCP SDU
RLC SDU
MAC
multiplexing
MAC
header
PHY
Header
PDCP SDU
RLC SDU
RLC
header
PDCP SDU
RLC SDU
RLC
header
MAC
header
MAC SDU
MSMK
Payload
PDCP
header
RLC
header
Transport block
Payload
Header
Payload
Header
PDCP
header
SAE bearer 2
Payload
CRC
MAC SDU
Transport block
CRC
květen 2012
56 / 104
IP packet
User #i
IP packet
User #j
SAE
bearers
PDCP
#i
Header compression
PDCP
Header compression
Ciphering
Deciphering
Radio
bearers
MAC
Payload
selection
RLC
#i
RLC
Segmentation, ARQ
Concatenation, ARQ
Priority
handling,
payload
selection
Logical
channels
MAC
MAC demultiplexing
Hybrid ARQ
Hybrid - ARQ
Transport
channel
PHY
PHY
Coding
Decoding
Modulation
Demodulation
Antenna and
resource mapping
Antenna and
resource demapping
Redundancy
version
MAC scheduler
MAC multiplexing
Retransmission
control
Modulation
scheme
Antenna and
resource
assignment
eNodeB
Mobile terminal (UE)
MSMK
květen 2012
57 / 104
Přehled transportních kanálů
Broadcast channel
DownLink Shared Channel
Paging Channel
Multicast Channel
Uplink Shared Channel
Random Access Channel
MSMK
květen 2012
58 / 104
Fyzické kanály a signály
PUSCH Physical Uplink Shared Channel - uživatelská data uplink
PUCCH Physical Uplink Control Channel - řídící informace uplink
PRACH Physical Random Access Channel - náhodný přístup uplink
PDSCH Physical Downlink Shared Channel - uživatelská data
PBCH Physical Broadcast Channel - Broadcast informace, údaje o buňce a další (Cell ID, ...)
PMCH Physical Multicast Channel - pro MBMS
PCFICH Physical Control Format Indicator Channel
PDCCH Physical Downlink Control Channel - řídící informace
PHICH Physical HARQ Indicator Channel - řízení HARQ (ACK/NACK)
+referenční (pilotní subnosné pro rozlišení jednotlivých přenosových vrstev) a synchronizační
signály (primární a sekundární synchronizace) bez vazby na vyšší vrstvy.
MSMK
květen 2012
59 / 104
Mapování kanálů
Řídící kanály, BCH a PRACH channel jsou mapovány kolem DC subcarrier
MSMK
květen 2012
60 / 104
Primární a sekundární synchronizace v rádiovém rámci
10 ms radio frame
1 ms subframe
#2
#3
0.5 ms slot
0.5 ms slot
#4
#5
0.5 ms slot
0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6
#6
#7
#8
#9
0.5 ms slot
0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6
72 subcarriers
#1
System bandwidth
#0
OFDM symbol
Secondary
synchronization
signal
Primary
synchronization
signal
MSMK
květen 2012
61 / 104
Mapování RB mezi uživatele, B=5MHz, 25 RB, 3 subrámce
MSMK
květen 2012
62 / 104
Mapování RB mezi uživatele, uplink, B=5MHz, 1 subrámec
MSMK
květen 2012
63 / 104
MSMK
květen 2012
64 / 104
MSMK
květen 2012
65 / 104
Časově a frekvenčně závislé plánování paketů
MSMK
květen 2012
66 / 104
Možnosti přidělování RR uživatelům
Maximum Quality
Cílem je maximalizovat propustnost
Pro některé uživatele nebudou dostupné rádiové zdroje
Problém s VoIP
Round Robin
Každý uživatel má definované časové okno, ve kterém se přenáší jeho data
Není optimálně využita propustnost sítě (AMC)
Proportional Fair
Time
Radio-link quality
Radio-link quality
Radio-link quality
Snaha o optimalizovaný přístup k RB a uživatelům
Time
MSMK
Time
květen 2012
67 / 104
Fractional Reuse Factor a Cell Edge
Cell-center terminals, cell 1
Reduced Tx power
Cell-edge terminals, cell 1
MSMK
květen 2012
68 / 104
Rozlišení prostorových toků I
One
s
lot (
0.5 m
s)
Frequency
Time
Downlink reference symbol
MSMK
květen 2012
69 / 104
Rozlišení prostorových toků II
Antenna #1
Antenna #2
Frequency
Time
(a)
MSMK
květen 2012
70 / 104
Rozlišení prostorových toků III
Antenna #1
Antenna #2
Antenna #3
Antenna #4
Frequency
Time
(b)
MSMK
květen 2012
71 / 104
throughput, 1.4MHz, MIMO VehA, 1000 subframes
4
3.5
3.5
3
3
2.5
2.5
CQI 01
CQI 02
CQI 03
CQI 04
CQI 05
CQI 06
CQI 07
CQI 08
CQI 09
CQI 10
CQI 11
CQI 12
CQI 13
CQI 14
CQI 15
2
1.5
1
0.5
0
−10
throughput [Mbps]
throughput [Mbps]
throughput, 1.4MHz, SISO AWGN, 1000 subframes
4
−5
0
5
10
15
20
SNR [dB]
25
30
35
1
0.5
0
−10
40
(a) Propustnost LTE v závislosti na CQI, AWGN kanál
CQI 10
CQI 11
CQI 12
CQI 13
CQI 01
CQI 14
CQI 15
CQI 16
CQI 02
CQI 03
CQI 04
CQI 05
CQI 06
CQI 07
CQI 08
2
1.5
−5
0
5
10
SNR [dB]
15
20
25
30
(b) Propustnost LTE v závislosti na CQI, VehA kanál
MSMK
květen 2012
72 / 104
AWGN, 1.4 MHz CQI 15, 64QAM
10
SISO
TxD 2x1
4x2 TxD
4x2 OLSM
SISO 3re
TxD 2x1 3re
4x2 TxD 3re
4x2 OLSM 3re
9
8
throughput [Mbps]
7
Spatial multiplexing
Throughput Gain
6
5
4
Pilots overhead
Retransmissions gain
3
2
Diversity gain
1
0
−5
0
5
10
15
20
25
30
SNR [dB]
MSMK
květen 2012
73 / 104
1.4MHz VehA ZF equalizer, CQI 7 (16QAM)
2.5
Spatial
Multiplexing
SISO
MISO 2x1
MIMO 4x2
MIMO 4x2 SM
throughput [Mbps]
2
1.5
1
0.5
3 rd retransmission’s gain
0
−10
−5
0
5
10
SNR [dB]
MSMK
15
20
25
30
květen 2012
74 / 104
Struktura TDD rámce
Radiový rámec Type II je rozdělen na dvě poloviny s dobou trvání 5 ms, které se označují jako
half-frame. Half-frame se stejně jako rámce pro FDD skládají ze subrámců, každý subrámec má
dva sloty a podle délky cyklického prefixu 6 nebo 7 OFDM symbolů. V každém 2. subrámci
v half-frame se mohou přenášet speciální subrámce, které zajišt’ují přepnutí mezi downlinkem a
uplinkem. Speciální subrámce obsahují
DwPTS Downlink Pilot Time Slot
GP Guard Period
UpPTS Uplink Pilot Time Slot
MSMK
květen 2012
75 / 104
LTE TDD
TDD režim je výhodný pro asymetrický přenos dat downlink/uplink,
nepotřebuje dva frekvenční kanály, tím se zlepšuje spektrální účinnost systému,
FDD pásmo má v mnoha případech velkou frekvenční rozteč, přenosové prostředí má jiné
vlastnosti (útlum šířením, shadowing, ... ),
TDD mód má lepší možnosti pro odhad stavu kanálu, protože se používá stejná frekvence,
lze provádět pouze odhad kanálu pro uplink (na straně eNodeB) a použít jej v downlinku.
Time Division Duplex (TDD)
Approximately
symmetric
Asymmetric
(downlink focus)
Asymmetric
(uplink focus)
First and sixth subframe always assigned
for downlink transmission
Downlink transmission
Uplink-downlink
configuration
0
1
2
3
4
5 VUT)
J. Prokopec (UREL FEKT
Downlink-to-Uplink
Switch-point periodicity
5 ms
5 ms
5 ms
10 ms
10 ms
10 ms
MSMK
0
D
D
D
D
D
D
1
S
S
S
S
S
S
Uplink transmission
2
U
U
U
U
U
U
Subframe number
3 4 5 6 7
U U D S U
U D D S U
D D D S U
U U D D D
U D D D D
D D D D D
8 9
U U
U D
D D
D D
D D
D květen
D 2012
76 / 104
Mapování RB pro TDD
MSMK
květen 2012
77 / 104
Vrstvový model LTE
Obsah prezentace
1
Rádiové rozhraní
Hybridní ARQ
Scheduling
Vrstvový model LTE
2
LTE Advanced
MSMK
květen 2012
78 / 104
Vrstvový model LTE
Power-up
LTE_DETACHED
• No IP address
• Position not known
LTE_IDLE
LTE_ACTIVE
• IP
address assigned
• Connected to known cell
OUT_OF_SYNC
• IP address assigned
• Position partially known
• DL DRX period
IN_SYNC
• DL reception possible
• UL transmission possible
• DL reception possible
• No UL transmission
LTE_DETACHED stav po zapnutí UE, kdy terminál nemá přiřazenu IP adresu a jeho poloha vůči
eNodeB není známa
LTE_ACTIVE zařízení má přiřazenou IP adresu a je připojeno k aktivní buňce systému.
V aktivním stavu mohou nastat dvě situace:
OUT_OF_SYNC kdy terminál může přijímmat data pouze v downlinku, přenos
v uplinku není možný,
IN_SYNC terminál může přijímat i vysílat data
LTE_IDLE IP adresa zůstala UE přiřazena, ale systém nezná přesnou polohu UE v rámci
sítě
MSMK
květen 2012
79 / 104
Vrstvový model LTE
Protokolový stack LTE pro uživatelská data
NETWORK ARCHITECTURE
31
Application
IP
IP
Relay
PDCP
Relay
GTP - U
GTP - U
GTP - U
PDCP
GTP - U
RLC
RLC
UDP/IP
UDP/IP
UDP/IP
UDP/IP
MAC
MAC
L2
L2
L2
L2
L1
L1
L1
L1
L1
L1
LTE - Uu
UE
S1 - U
eNodeB
S5/S8
a
Serving GW
SGi
PDN GW
Figure 2.6 The E-UTRAN user plane protocol stack. Reproduced by permission of © 3GPP.
MSMK
květen 2012
80 / 104
Vrstvový model LTE
Protokolový stack LTE pro uživatelská data
e 2.6 The E-UTRAN user plane protocol stack. Reproduced by permission of © 3
NAS
NAS
Relay
Relay
RRC
S1- AP
RRC
S1- AP
PDCP
PDC P
SCTP
RLC
RLC
IP
IP
MAC
MAC
L2
L2
L1
L1
L1
L1
UE
LTE- Uu
eNodeB
SCTP
S1- MME
MME
Figure 2.7 Control-plane protocol stack. Reproduced by permission of © 3GPP.
ium Access
Control) sublayers which MSMK
are terminated in the eNodeB
on the
net
květen 2012
81 / 104
Obsah prezentace
1
Rádiové rozhraní
Hybridní ARQ
Scheduling
Vrstvový model LTE
2
LTE Advanced
MSMK
květen 2012
82 / 104
LTE vs. Mobile WiMAX
Downlink
Uplink
Duplex
Speed [kmh]
Bandwidth
Peak Data Rate [Mbps]
Spectral eff. [bps/Hz/sec]
Latency
VoIP
LTE Rel.8
OFDMA
SC-FDMA
FDD/TDD
350
1,4-20
302
75
20
1,91
0,72
5ms
50 ms
80 users/sector/FDD/1MHz
802.16e
OFDMA
OFDMA
FDD/TDD
250
3,5-10
46
4
10
1,91
0,84
20
50
20 users/sector/TDD/1MHz
MSMK
802.16m
OFDMA
OFDMA
FDD/TDD
250
5-40
350
200
20
2,6
1,3
10
30
30 users/sector/FDD/1MHz
HSPA+ Rel.8
WCDMA
WCDMA
FDD
250
5
42
11,5
květen 2012
83 / 104
LTE vs Mobile WiMAX technologie
Air Interface
Core
PAPR
FEC Control
FEC Data
H-ARQ
MIMO
Diversity
LTE
QPSK-64QAM OFDMA
All IP
SC-FDMA
CC, K=7,R=1/3
CTC, K=4,R=1/3
IR, ChC
SM
TD (Alamouti, CCD)
Beamforming
MSMK
Mobile WiMAX
QPSK-64QAM OFDMA
All IP
CC, K=7,R=1/3
CTC, K=4,R=1/3
ChC + IR
SM
TD (Alamouti, CCD)
Beamforming
květen 2012
84 / 104
Obsah prezentace
1
Rádiové rozhraní
Hybridní ARQ
Scheduling
Vrstvový model LTE
2
LTE Advanced
MSMK
květen 2012
85 / 104
Architektura mobilních sítí
TE
MT
R
MSC
GERAN
C
HLR/AuC*
HSS*
EIR
SMS-GMSC
SMS-IWMSC
SMS-SC
Um
Gb, Iu
Rx+ (Rx/Gq)
Gr
Gf
Gs
Iu
TE
MT
R
Gn
GGSN
Ga
Billing
System*
SGSN
BM-SC
Gi
Gn/Gp
Uu
UE
Gx+ (Go/Gx)
Gmb
Gc
SGSN
UTRAN
AF
PCRF
Gd
Ga
Gi
PDN
Mb
Gy Mb
IMSMGW
MRFP
OCS*
Wi
CGF*
Gm
IMS
P-CSCF
CSCF
Mw
CDF
Wf Wf
Wd
3GPP AAA
Proxy
Intranet/
Internet
Wa
WLAN
UE
Wa
WLAN Access
Network
Ww
D/Gr
Dx
Cx
HLR/
AuC*
HSS*
SLF
Wx
Dw
3GPP AAA
Server
Wm
OCS*
Wg
WAG
Wn
PDG
Wp
Wz
Wu
Traffic and signaling
Signaling
**
Wo Wy
CGF*
MSMK
Billing
System*
Note: * Elements duplicated for picture
layout purposes only, they belong to the
same logical entity in the architecture
baseline.
** is a reference point currently missing
květen 2012
86 / 104
Raději takto
GERAN
Gb
Iu
GPRS Core
SGSN
PCRF
UTRAN
S3
S4
S6
S5a
Evolved RAN
Rx+
S7
S1
MME
UPE
HSS
S5b
3GPP
Anchor
S2b
IASA
S2a
Evolved
Packet Core
SGi
SAE
Anchor
Trusted non 3GPP
IP Access
ePDG
Op.
IP
Serv.
(IMS,
PSS,
etc…)
WLAN
3GPP IP
Access
WLAN
Access NW
* Colour coding: red indicates new functional element / interface
MSMK
květen 2012
87 / 104
Funkcionality eNodeB
Radio Resources Management
Admission Control
Mobility Control
Packet Scheduling
Routing datového toku k SGW
Přenos Pagingových zpráv z MME
a další :)
MSMK
květen 2012
88 / 104
Funkce MME
NAS Non Access Stratum signalizace
NAS zabezpečení signalizace
Řízení zabezpečení AS
Řízení mobility mezi 3GPP RAN
Výběr SGSN pro řízení HO do 2G
Roaming
Authentification
MSMK
květen 2012
89 / 104
Komunikace mezi eNodeB
Řízení interferencí mezi
eNodeB pomocí zpráv přes
rozhraní X2
Uplink Interference
Overload Indicator
Message pro detekci na
jednotlivých RB
High Interfernece
Indicator při přidělování
RB pro Cell Edge
uživatele
Downlink Interference
pomocí Tx Power Message
f
MSMK
květen 2012
90 / 104
Home eNodeB
Zákazník si může koupit vybavení, které sdílí frekvenční spektrum zakoupené operátorem
Zajištění lepšího pokrytí
Zvýšení kapacity
Propojení do sítě pomocí speciální brány HeNB GW
Režim
Closed access Mode pro uživatele Closed Subscriber Group
Hybrid Access Mode CSG mají vyšší prioritu
Open Access Mode
Přenos parametrů pro identifikaci HeNB na BCH
MSMK
květen 2012
91 / 104
Automatická konfigurace a optimalizace sítě
Omezení centrálního plánování
Založené na výměně informací mezi Neighbour eNodeB
Využití informací z UE
Automatic Neighbour Relation pomocí informací o Cell Global Identity získaných z reportů UE
Mobility parameters optimization pro lepší Load balancing
MSMK
květen 2012
92 / 104
LTE Advanced
Obsah prezentace
1
Rádiové rozhraní
Hybridní ARQ
Scheduling
Vrstvový model LTE
2
LTE Advanced
MSMK
květen 2012
93 / 104
LTE Advanced
Vývoj směrem ke 4G
Slučování kanálů Carrier Agregation
Multiband Aggregation
V každém pásmu specifické parametry
Zlepšení spektrální účinnosti
Nové metody pro uplink
Clustered DFT-S-OFDMA
N DFT-S-OFDMA
OFDMA
kompatibilita s DFT-S-OFDMA
Turbo Equalization
MSMK
květen 2012
94 / 104
LTE Advanced
Vývoj směrem ke 4G II
Zlepšování Tx diverzity
Lepší CSI/precoding
důraz na TDD
Podpora více antén (8x8, experimenty 12x12)
Cooperative MIMO
Interference Cancelation
Relays pro zlepšení SINR na Cell Edge
MSMK
květen 2012
95 / 104
LTE Advanced
Carrier Aggregation
Slučování více rádiových kanálů
používá se Intra a Inter band Aggregation
až 100 MHz šířky pásma pro jednoho uživatele
prozatím intra band pro pásmo 1, 9 GHz a 2, 3 GHz
inter band pro kombinaci pásem 1 a 5 viz předchozí tabulky
vždy obsahuje primární rádiový kanál, sekundární kanály se přidávají až v RRC_Connected
symetrické-asymetrické CA
pro uplink CA až v Rel 11
kombinace MIMO 8x8 a CA až 3 Gbps!!!
MSMK
květen 2012
96 / 104
LTE Advanced
Carrier Aggregation
MSMK
květen 2012
97 / 104
LTE Advanced
Downlink MIMO 8x8
MSMK
květen 2012
98 / 104
LTE Advanced
Reference - Standard
3GPP TS 36.101 V8.9.0 (2010-03)
User Equipment (UE) radio transmission and reception (Release 8)
3GPP TS 36.104 V8.9.0 (2010-03)
Base Station (BS) radio transmission and reception (Release 8)
3GPP TS 36.201 V8.3.0 (2009-03)
LTE Physical Layer - General Description (Release 8)
3GPP TS 36.211 V8.9.0 (2009-12)
Physical Channels and Modulation (Release 8)
3GPP TS 36.212 V8.8.0 (2009-12
Multiplexing and channel coding (Release 8)
MSMK
květen 2012
99 / 104
LTE Advanced
Reference - Články
Anders Furuskär, Tomas Jönsson, and Magnus Lundevall
The LTE Radio Interface – Key Characteristics and Performance
IEEE Xplore 2008
Carsten Ball, Thomas Hindelang, Iavor Kambourov, Sven Eder
Spectral Efficiency Assessment and Radio Performance Comparison between LTE and
WiMAX
IEEE Xplore 2008
Man Hung Ng, Shen-De Lin, Jimmy Li, and Said Tatesh, Alcatel-Lucent
Coexistence Studies for 3GPP LTE with Other Mobile Systems
IEEE Communications Magazine, April 2009
Yang Yang, Honglin Hu, Jing Xu, Guoqiang Mao
Relay Technologies for WiMAX and LTE-Advanced Mobile Systems
IEEE Communications Magazine, October 2009
MSMK
květen 2012
100 / 104
LTE Advanced
Reference - Články
Anna Larmo, Magnus Lindström, Michael Meyer, Ghyslain Pelletier, Johan Torsner, and
Henning Wiemann
The LTE Link-Layer Design
David Astély, Erik Dahlman, Anders Furuskär, Ylva Jading, Magnus Lindström, and Stefan
Parkvall
LTE: The Evolution of Mobile Broadband
StevenW. Peters, Ali Y. Panah, Kien T. Truong, and RobertW. Heath Jr.
Relay Architectures for 3GPP LTE-Advanced
EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking Relay Architectures for
3GPP LTE-Advanced
Luis Ángel Maestro Ruiz de Temino, Gilberto Berardinelli, Simone Frattasi and Preben
Mogensen
Channel-Aware Scheduling Algorithms for SC-FDMA in LTE Uplink
IEEE Xplore, 2008
MSMK
květen 2012
101 / 104
LTE Advanced
Reference - Knihy
Dahlman, E and Parkvall, S. and Skold, J. and Beming, P.
3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband.
London: Academic Press. 2007.
Holma, H. and Toskala
LTE for UMTS - OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access
New York: John Wiley & sons, 2009
Stefania Sesia,Issam Toufik,Matthew Baker
LTE, the UMTS long term evolution: from theory to practice
New York: John Wiley & sons, 2009
Rysavy Research
HSPA to LTE-Advanced: 3GPP Broadband Evolution to IMT-Advanced
3G Americas, September 2009
MSMK
květen 2012
102 / 104
LTE Advanced
Reference - Simulace
Mehlführer, Christian, Wrulich, Martin, Ikuno, Josep Colom, Bosanska, Dagmar, Rupp,
Markus
Simulating the Long Term Evolution Physical Layer.
Proc. of the 17th European Signal Processing Conference (EUSIPCO 2009) Glasgow,
Scotland 2009 http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_175708.pdf
Ikuno, Josep Colom, Wrulich, Martin, Rupp, Markus
System level simulation of LTE networks
Proc. 2010 IEEE 71st Vehicular Technology Conference,Taipei, Taiwan 2010
http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_184908.pdf
MSMK
květen 2012
103 / 104
Poděkování
Vytvoření této prezentace bylo finančně podpořeno projektem
CZ.1.07/2.3.00/09.0092
Komunikační systémy pro perspektivní kmitočtová pásma
operačního programu
Vzdělávání pro konkurenceschopnost.
Finanční podpora byla poskytnuta
Evropským sociálním fondem
a státním rozpočtem České republiky.

LTE Advanced

Transkript

Podobné dokumenty

Souhrnná metodika pro implementaci algoritmu pro stanovení

Belarus

stažení.

newsletter 4/2011

close

Rychlospojky - Parker Snap-tite

Mobilní sítě - IMProVET - České vysoké učení technické v Praze

Modelovani systemu a procesu

VR-3031eu Uživatelská Příručka

Vybrané aspekty návrhu webových informačních systémů

Chile

Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a

Beamforming: Wi-Fi, jaké jste ještě nikdy neviděli

Systémy veřejné mobilní komunikace páté generace (5G)

sbs amedment

5. Počítačové sítě

Prezentace oboru EST

příspěvek

R疆iov s咜¥ II pro integrovanou v uku VUT a V達-TUO

Pokročilé NVH testování u Hondy Optimalizace hluku interiéru

Manuál

20. veřejný radiotelefonní systém gsm - Telskol