CURS 9SISTEMUL LTE. INTERFAȚA RADIO

ȘI ARHITECTURA DE SISTEMCONF. DR. ING. ZSOLT POLGÁR

Ș.L. DR. ING. ZSUZSANNA ȘUTA

DEPARTAMENTUL DE COMUNICAȚII

CUPRINS

❑ Evoluția spre LTE

❑ Descrierea generală

❑ Cadrul radio LTE

❑ Canale fizice LTE

❑ Canale logice și de transport LTE

❑ Arhitectura de sistem SAE

❑ Stiva de protocoale E-UTRAN

❑ Aspecte legate de ARQ

❑ Handover în LTE

STLA - Curs 9 2019-2020 2

EVOLUȚIA SPRE LTE

❑ Specificaţiile LTE sunt încorporate în familia de specificaţii IMT 2000

❑ Specificaţiile “Universal Mobile Telecommunications System” (UMTS/HSxPA) impun

transfer de pachete de viteză mare:

o Până la 14.4 Mbps în downlink şi 5.76 Mbps în uplink – primele specificații

▪ Specificațiile permit download la 28.8 Mbps sau 43.2Mbps (“Dual carrier”)

o Sistemul HSxPA oferă îmbunătăţiri substanţiale relativ la sistemele UMTS anterioare, dar

performanţele sunt limitate datorită cerinţelor de compatibilitate cu versiunile anterioare

o Apariţia unor sisteme mobile broadband bazate pe comutaţie de pachete, cum este WiMAX

802.16e au impus strategii de dezvoltare pe termen lung “Long Term Evolution” – LTE a

sistemului UMTS

▪ Implementarea sistemului LTE Evolved UMTS Terrestrial Radio (E-UTRA)

STLA - Curs 9 2019-2020 3

EVOLUȚIA SPRE LTE

o Dezideratele pe termen lung:

▪ Debite de vârf: 100 Mbps downlink şi 50 Mbps uplink

▪ Întârzieri reduse: 10ms “round-trip delay”

▪ Capacitate sistem şi acoperire mărite

▪ Costuri de operare reduse

▪ Suport transmisii multi-antenă

▪ Suport pentru transfer eficient de pachete

▪ Alocare de bandă flexibilă – lărgime de bandă până la 20 MHz

▪ Posibilitatea integrării sistemelor existente

o Pentru a atinge aceste deziderate a fost necesară proiectarea unei noi interfeţe radio

o Câteva din cerinţele impuse nivelului fizic şi o comparaţie cu performanţele actuale (HSxPA)

sunt date în tabelul următor:

STLA - Curs 9 2019-2020 4

EVOLUȚIA SPRE LTE

Cerințe HSxPA LTE E-UTRA

Rata de vârf 14Mbps DL / 5.76Mbps UL 100Mbps DL / 50Mbps UL

Eficiență spectrală 0.6-0.8 DL / 0.35 UL [bps/Hz/sector] Îmbunătățire 3-4x DL / 2-3x UL

Throughput packet call 64kbps DL / 5kbps UL Îmbunătățire 3-4x DL / 2-3x UL

Trhoughput mediu utilizator 900kbps DL / 150kbps UL Îmbunătățire 3-4x DL / 2-3x UL

Întârziere plan utilizator 50ms 5ms

Timp ralizare conexiune 2s 50ms

Rată de transfer broadcast 384kbps Îmbunătățire 6-8x

Mobilitate Până la 250km/h Până la 350km/h

Suport tehnici multiantenă Nu Da

Lărgime de bandă 5MHz Scalabil până la 20MHz

STLA - Curs 9 2019-2020 5

EVOLUȚIA SPRE LTE

❑Alte obiective E-UTRA includ:

o Suport pentru moduri de lucru TDD şi FDD

o Complexitate sistem şi terminale nu foarte mare

o Domeniu/bandă de frecvenţă similare cu 802.16

o Suport pentru tehnici multiantenă avansate

o Uplink îmbunătăţit

o Întârzieri mici şi suport pentru VoIP

o Posibilitatea conlucrării cu sisteme clasice cum este UMTS

o Suport pentru mobilitate mărită – viteze maxime până la 350 km/h

o Tehnici de reducere a consumului de putere a staţiilor mobile

o Integrarea transmisiilor unicast şi broadcast

STLA - Curs 9 2019-2020 6

EVOLUȚIA SPRE LTE

o O diferenţă esenţială între sistemele HSxPA şi LTE constă în tehnicile de scheduling

o LTE permite atât în DL cât şi în UL scheduling în domeniul frecvenţă – FDS – “Frequency

Domain/Selective Scheduling” şi schedulig în domeniul timp TDS – “Time Domain Scheduling”

STLA - Curs 9

Cerințe HSxPA LTE E-UTRA

Durată TTI 2ms 1ms

Modulație QPSK, 16QAM DL;

QPSK, BPSK UL

QPSK, 16QAM, 64QAM DL;

QPSK, 16QAM UL

HARQ + N-channel

Stop&Wait

N=6 DL, N=8 UL

DL asincron, UL sincron; operații IR

DL asincron, UL sincron;

operații IR

Codare Convoluțional și turbo Tehnici de codare avansată

Scheduling TDS TDS și FDS

2019-2020 7

EVOLUȚIA SPRE LTE

o FDS poate îmbunătăţii substanţial capacitatea sistemului faţă de TDS; îmbunătăţire 20-30%

o TDS se poate utiliza pentru viteze mai mari, operaţii la marginea celulei, servicii cu overhead

redus, canale de control

❑ Subsisteme multiantenă (“Multi-Antenna Subsystem” – MAS) şi MIMO

o Pentru a se asigura rata de vârf prevăzută trebuie utilizate tehnici multiantenă:

▪ Tehnici de multiplexare spaţială – multiplexarea mai multor fluxuri către o singură staţie mobilă

• Trebuie utilizate cel puţin 2 sau 4 antene de transmisie; se utilizează duplexare FDD

▪ Tehnici de multi-user MIMO

• Se transmit fluxuri diferite la utilizatori diferiţi utilizând aceleaşi resurse spaţiale; se foloseşte

tehnica “Spatial Division Multiple Access” (SDMA)

STLA - Curs 9 2019-2020 8

EVOLUȚIA SPRE LTE

▪ Tehnici de diversitate “open loop MIMO”

• Se pot utiliza tehnicile “shift diversity” sau “space-time block codes”

▪ Tehnici de diversitate “closed-loop MIMO”

• Este necesar feedback a informaţiei de canal sau informaţie la destinaţie legată de precodarea

realizată

❑ Controlul interferenţei:

o Pentru maximizarea eficienţei spectrale se propune un factor de reutilizare 1 a frecvenţelor atât

pentru uplink cât şi pentru downlink

▪ Reutilizarea 1 a frecvenţelor poate cauza interferenţă severă pentru staţiile mobile situate la marginea

celulei sau în zone cu acoperire slabă

▪ Pentru controlul interferenţei se propune:

• Control de putere lent în uplink

• Coordonare/evitare interferenţă sau mediere interferenţă

• Tehnici de “beam-forming” la staţia de bază – pentru transmisii uplink

STLA - Curs 9 2019-2020 9

EVOLUȚIA SPRE LTE

❑ Alocare flexibilă a spectrului:

o Mai multe alocări de bandă de dimensiuni diferite

o Alocări de bandă împerecheate sau nu

STLA - Curs 9

Alocările de bandă

LTE şi utilizarea

resurselor

2019-2020 10

DESCRIEREA GENERALĂ LTE

❑ Structură generală protocol:

o Interfaţa radio dintre echipamentul utilizator (UE) şi reţea este format din trei straturi :

STLA - Curs 9

▪ Straturile 1, 2 şi 3

▪ Specificaţiile TS 36.200 descriu

stratul 1 – stratul fizic

▪ Specificaţiile TS 36.300 descriu

straturile 2 (MAC+RLC) şi 3

(RRC)

▪ Cercurile identifică punctele de

acces serviciu (SAP) dintre

straturi

2019-2020 11

DESCRIEREA GENERALĂ LTE

o Nivelul fizic oferă canale de transport pentru stratul MAC

▪ Canalul de transport caracterizează modul în care informaţia este transportată pe interfaţa radio

o MAC oferă diferite canale logice substratului “Radio Link Control” (RLC) din stratul 2

▪ Un canal logic este caracterizat de tipul de informaţie care se transferă

o Nivelul fizic trebuie să efectueze următoarele funcţii pentru a asigura transportul de date:

▪ Detecţie de eroare pe canalul de transport şi indicare la nivelele superioare

▪ Codare/decodare FEC a canalului de transport

▪ H-ARQ cu combinare soft

▪ Adaptare de rată a canalului de transport codat la canalul fizic

▪ Maparea canalului de transport codat în canalul fizic

▪ Adaptarea puterii canalului fizic

▪ Modularea şi demodularea canalului fizic

▪ Sincronizare în timp şi în frecvenţă

STLA - Curs 9 2019-2020 12

DESCRIEREA GENERALĂ LTE

▪ Măsurarea caracteristicilor radio şi indicarea către straturile superioare

▪ Procesare multiantenă MIMO

▪ Diversitate de transmisie

▪ Beamforming

▪ Procesare RF

❑ Tehnica de acces multiplu:

o Este bazată pe OFDM (“Orthogonal Frequency Division Multiplexing”) cu prefix ciclic (CP) în

downlink şi pe SC-FDMA (“Single-Carrier Frequency Division Multiple Access”) în uplink

▪ Se permite duplexare FDD (“Frequency Division Duplexing”) şi TDD (“Time Division Duplexing”)

o Stratul 1 permite utilizarea mai multor lărgimi de bandă: 1.4, 3, 5, 10, 15, 20MHz

▪ Blocul de resurse (“Resource block”) se întinde pe 12 subpurtătoare cu separare de 15kHz sau 24

subpurtătoare cu separare de 7.5kHz şi o durată de slot de 0.5ms

STLA - Curs 9 2019-2020 13

DESCRIEREA GENERALĂ LTE

❑ Aspecte de mobilitate şi rază de acoperire:

o Mobilitatea este una dintre dezideratele cele mai importante în sistemul LTE

▪ Sistemul optimizat pentru viteze între 0 şi 15 km/h

▪ Se asigură performanţe ridicate pentru viteze situate între 15 şi 120 km/h

▪ Serviciul se poate asigura şi pentru viteze cuprinse între 120 şi 350 km/h

o Se asigură suport pentru servicii de voce şi de timp real pe toată gama de viteze cu calitate cel

puţin egală cu cea a sistemelor UTRAN

o Rază de acoperire până la 5 km în condiţiile în care se asigură performanţe bune de throughput

şi eficienţă spectrală în condiţii de mobilitate

o Rază de acoperite de până la 30 km

▪ Se asigură mobilitate; se permite o degradare a performanţelor de throughput şi eficienţă spectrală

o Rază de acoperire de până la 100 km

▪ Suportat, dar se acceptă degradare în performanţe

STLA - Curs 9 2019-2020 14

DESCRIEREA GENERALĂ LTE

❑ Lanțul de procesare și canale LTE

o PDCP – Packet Data Convergence

Protocol; RLC – Radio Link

Control; EPS – Evolved

Packet System

STLA - Curs 9 2019-2020 15

l=0 l=NsymbDL-1

CADRUL RADIO LTE

❑ Structura blocului de resurse în DL:

o “Resource element” reprezintă o unitate de bază

frecvenţă – timp şi este identificat de o pereche

de indecşi (k, l)

k = 0,...,NRBDLNsc

RB-1

i = 0,...,NsymbDL-1

o k – index frecvenţă; l – index timp

o Indexarea se realizează într-o grilă de resurse

care se aplică unui port de antenă

▪ Durată grilă este de 1 Tslot

STLA - Curs 9 2019-2020 16

CADRUL RADIO LTE

❑ Sunt definite atât blocuri de resurse fizice cât şi virtuale

o Un bloc de resurse fizic este definit de NsymbDL simboluri OFDM consecutive în timp şi Nsc

RB

subpurtătoare consecutive în domeniul frecvenţă

▪ Un bloc de resurse fizic corespunde la o perioadă de slot şi la 180 kHz

o Relaţia dintre numărul blocului de resurse şi elementele de resursă dintr-un slot:

o Un bloc de resurse virtual este de aceeaşi dimensiune ca şi un bloc de resurse fizic

o Se pot defini două tipuri de blocuri de resurse virtuale

▪ Blocuri virtuale distribuite şi blocuri de resurse localizate

STLA - Curs 9 2019-2020 17

CADRUL RADIO LTE

o Blocurile de resurse virtuale se mapează pe blocurile de resurse fizice în funcţie de ordinul de

diversitate

▪ Pentru ordinul de diversitate doi un bloc virtual se mapează pe un bloc fizic

❑ Structura blocului de resurse în UL:

o Semnalul transmis în fiecare slot este descris de o grilă de resurse compusă din NRBULNsc

RB

subpurtătoare şi NsymbUL simboluri SC-FDMA

▪ Valoarea parametrului NRBUL depinde de lărgimea de bandă de transmisie UL: 6 ≤ NRB

UL ≤ 110

▪ Numărul de simboluri SC-FDMA dintr-un slot cu lungimea prefixului ciclic configurat de către straturile

mai mari:

▪ Relaţia dintre numărul blocului de resursă şi elementul resursă identificat de indexul (k, l):

STLA - Curs 9

Prefix ciclic extins

Prefix ciclic normal

2019-2020 18

CADRUL RADIO LTE

o Elementele resursă care nu sunt utilizate se

setează la zero

❑ Blocurile resursă:

o Un bloc resursă se defineşte ca şi NsymbUL

simboluri SC-FDMA consecutive în timp şi

NscRB subpurtătoare consecutive în domeniul

frecvenţă

o Durata în timp este de un slot şi ocupă 180

kHz bandă

STLA - Curs 9 2019-2020 19

CADRUL RADIO LTE

❑ Structura cadrului:

o Unitatea de timp de bază este: Ts = 1/(15000*20148)

o Atât transmisia downlink cât şi uplink sunt organizate în cadre radio având durata: Tf = 307200*Ts = 10ms

o Sunt definite două tipuri de structuri:

▪ Tip 1 pentru duplexare FDD

▪ Tip 2 pentru duplexare TDD

❑ Structura de cadru de tip 1:

o Se poate aplica atât la FDD “full duplex” cât şi “half duplex”

o Fiecare cadru are durata Tf = 10ms şi se compune din 20 de sloturi cu durata Tslot = 15369*Ts = 0.5ms

o Un subcadru i se defineşte ca şi două sloturi consecutive 2i şi 2i+1;

o În cazul FDD 10 subcadre sunt disponibile pentru transmisia DL şi 10 subcadre sunt disponibile pentru

transmisia UL în fiecare interval de 10 ms

STLA - Curs 9 2019-2020 20

CADRUL RADIO LTE

❑Structura cadrului de tip 2:

o Se poate aplica în cazul TDD

o Fiecare cadru este compus din două jumătăţi de cadru de durată: Tf = 5ms

o Fiecare jumătate de cadru constă din 8 sloturi de durată Tslot = 0.5ms şi trei câmpuri speciale:

DwPTS, GP şi UpPTS

o Lungimea câmpurilor DwPTS (“Downlink Pilot Time Slot”) şi UpPTS (“Uplink Pilot Time Slot”)

este configurabilă, dar lungimea totală a celor trei câmpuri este de 30720*Ts = 1ms

o Subcadrele 1 şi 6 constau din DwPTS, GP (“Guard Period”) şi UpPTS; toate celelalte subcadre i

sunt compuse din două sloturi 2i şi 2i+1

STLA - Curs 9 2019-2020 21

CADRUL RADIO LTE

o Subcadrele 0 şi 5 şi DwPTS sunt totdeauna rezervate pentru transmisia downlink

o Sunt suportate periodicităţi de 5 ms şi 10 ms ale punctului de comutare

▪ În cazul periodicităţii de 5 ms, UpPTS şi subcadrele 2 şi 7 sunt rezervate pentru transmisia uplink

▪ În cazul periodicităţii de 10 ms, DwPTS există în ambele jumătăţi de cadru în timp ce GP şi UpPTS

există în prima jumătate de cadru

STLA - Curs 9

• UpPTS şi subcadrul 2 sunt

rezervate pentru UL, iar

subcadrele 7 la 9 pentru

DL

2019-2020 22

CADRUL RADIO LTE

o DwPTS: utilizat pentru căutare celulă; transportă semnalul de sincronizare primar

▪ Include informaţie de control şi semnale de referinţă ca şi orice alt subcadru “downlink”

▪ Poate transporta şi informaţie utilă în funcţie de algoritmul de scheduling

o UpTS: utilizarea este limitată la transmisia semnalelor de măsurare (“sounding reference

signals”) şi la accesul aleatoriu (semnalele RACH)

o GP: interval de gardă asigură comutarea

între “downlink” şi “uplink”

STLA - Curs 9 2019-2020 23

CANALE FIZICE LTE – UL

❑ Canale uplink:

o Un canal fizic corespunde la un set de elemente de resurse care transportă informaţie de la

nivele superioare

o Se definesc următoarele canale fizice:

▪ Physical Uplink Shared Channel, PUSCH

▪ Physical Uplink Control Channel, PUCCH

▪ Physical Random Access Channel, PRACH

❑ Physical uplink shared channel – PUSCH

o Procesări bandă de bază:

▪ Aleatorizare; modulare; precodare; maparea simbolurilor complexe pe elemente resursă; generare

semnale SC-FDMA pe fiecare port de antenă

STLA - Curs 9 2019-2020 24

CANALE FIZICE LTE – UL

o Constelaţiile de modulare utilizate sunt:

▪ QPSK, 16QAM, 64QAM

o Precodarea (precodarea de transformare)

▪ Blocul de simboluri complexe d(0),...,d(Msymb-1) este divizat în Msymb/MscPUSCH seturi fiecare

corespunzând la un simbol SC-FDMA

▪ Precodarea se realizează conform regulii:

𝑧 𝑙𝑀𝑠𝑐𝑃𝑈𝑆𝐶𝐻 + 𝑘 =

𝑖=0

𝑀𝑠𝑐𝑃𝑈𝑆𝐶𝐻−1

𝑑 𝑙𝑀𝑠𝑐𝑃𝑈𝑆𝐶𝐻 + 𝑖 𝑒

−𝑗2π𝑖𝑘

𝑀𝑠𝑐𝑃𝑈𝑆𝐶𝐻

, 𝑘 = 0,… ,𝑀𝑠𝑐𝑃𝑈𝑆𝐶𝐻 − 1, 𝑙 = 0,… ,

𝑀𝑠𝑦𝑚𝑏

𝑀𝑠𝑐𝑃𝑈𝑆𝐶𝐻 − 1

• Rezultă un bloc de simboluri modulatoare complexe z(0),...,z(Msymb-1)

• Variabila MscPUSCH este numărul de subpurtătoare utilizate pentru transmisia PUSCH într-un

simbol SC-FDMA

STLA - Curs 9 2019-2020 25

CANALE FIZICE LTE – UL

• Variabila MscPUSCH este: Msc

PUSCH = NscRB*2α2*3α3*5α5 ≤ Nsc

RBNRBUL, αi ≥ 0, i = 2,3,5

o Maparea pe resursele fizice implică:

▪ Multiplicarea cu un factor de scalare a amplitudinii

▪ Maparea simbolurilor modulatoare complexe pe blocul de resurse alocat transmisiei PUSCH

• Maparea implică calculul indicilor (k, l) a unităţilor de resurse

• Indexul l începe de la primul slot din subcadru

• Indexul k este dat de relaţia: k = k0 +fhop(),...,k0+fhop()+MscPUSCH-1

• k0 reprezintă primul index din blocul alocat, fhop() reprezintă schema de salt de frecvenţă

❑ Physical uplink control channel – PUCCH

o Canalul de PUCCH transportă informaţie de control în UL: ACK, cerere de bandă; cerere de

scheduling, indicator calitate canal, matrice precodare;

o Nu se transmite simultan cu PUSCH

▪ Pentru structura de cadru de tip 2, PUCCH nu se transmite în câmpul UpPTS

STLA - Curs 9 2019-2020 26

CANALE FIZICE LTE – UL

o PUCCH suportă formate multiple după cum se

arată în tabelul următor

o Transmisia simbolurilor de control implică o serie

de procesări:

▪ Înmulţirea cu o secvenţă deplasată ciclic

• Se aplică deplasări diferite pentru simboluri de control SC-FDMA diferite dintr-un slot

▪ Se aplică o împrăştiere utilizând secvenţe ortogonale

▪ Se aplică o scalare în amplitudine

▪ Se realizează maparea pe elementele resursă cu salt în frecvenţă

❑Semnale de referinţă:

o Se utilizează pentru estimarea/măsurarea canalului radio

STLA - Curs 9 2019-2020 27

CANALE FIZICE LTE – UL

o Se definesc două tipuri de semnale de referinţă în UL:

▪ Semnal de referinţă demodulare

• Sunt asociate cu transmisia canalelor PUSCH şi PUCCH

▪ Semnal de referinţă de măsurare (“Sounding reference signal”)

• Nu sunt asociate cu transmisia canalelor PUSCH şi PUCCH

• Sunt necesare deoarece transmisia are loc numai pe un set limitat de subpurtătoare, dar este

necesară estimarea canalului în toată banda de frecvenţă pentru alocarea resurselor

o Se utilizează acelaşi set de secvenţe de bază (semnale Zadof-Chu) pentru semnalele de

referinţă de demodulare şi de măsurare

▪ Semnalele de referinţă se obţin prin deplasarea ciclică a unei secvenţe de bază

o Ortogonalitatea semnalelor de referinţă se obţine prin multiplexarea în frecvenţă pe seturi

distincte de subpurtătoare

o Lungimea secvenţei este egală cu un multiplu a numărul de subpurtărtoare din blocul resursă

STLA - Curs 9 2019-2020 28

CANALE FIZICE LTE – UL

o Semnalele de referinţă sunt multiplexate în timp cu datele pe subpurtătoarele asignate la UE

▪ Nivelul de putere al semnalului de referinţă este diferit de cel al simbolurilor de date transmise pe alte

simboluri SC-FDMA – PAPR trebuie minimizat pe fiecare simbol SC-FDMA

o Informaţiile de control se pot multiplexa şi cu datele

o Canalul PUCCH se utilizează până când nu există alocat PUSCH pentru UE

❑ Generarea semnalului bandă de bază SC-FDMA

o Se aplică la toate canalele UL cu excepţia canalului cu acces aleator PRACH

o Semnalul continuu în timp în perioada de simbol SC-FDMA cu indexul l este:

𝑠𝑙 𝑡 =

𝑘=− 𝑁𝑅𝐵𝑈𝐿𝑁𝑠𝑐

𝑅𝐵/2

𝑁𝑅𝐵𝑈𝐿𝑁𝑠𝑐

𝑅𝐵/2 −1

𝑎𝑘(−),𝑙𝑒𝑗2π(𝑘+

12)Δ𝑓(𝑡−𝑁𝐶𝑃,𝑙𝑇𝑠) , 0 ≤ 𝑡 < 𝑁𝐶𝑃,𝑙 + 𝑁 𝑇𝑠, 𝑁 = 2048, Δ𝑓 = 15𝑘𝐻𝑧, 𝑘 − = 𝑘 + 𝑁𝑅𝐵

𝑈𝐿𝑁𝑠𝑐𝑅𝐵/2

▪ ak,l este simbolul complex din elementul resursă (k,l), NCP= 160, l=0 şi 144, l=1 – 6 : prefix ciclic

normal; = 512: prefix extins

STLA - Curs 9 2019-2020 29

CANALE FIZICE LTE – UL

❑Physical random access channel – PRACH

o Preambulul de acces aleator constă dintr-un prefix ciclic de TCP şi o porţiune de secvenţă de

TSEQ:

▪ TCP se situează între 0 şi 21000 de unităţi de bază Ts

▪ TSEQ se situează între 4096 şi 49000 de unităţi de bază Ts

▪ Formatul este controlat de straturile superioare

o Se utilizează pentru realizarea sincronizării iniţiale în UL

▪ Transmisia pe acest canal este cerut de MAC și are loc pe anumite resurse timp frecvenţă:

• În domeniul frecvenţă se utilizează banda corespunzătoare la 6 blocuri resursă

• În cazul cadrului de tip 1 există cel mult o resursă PRACH pe subcadru

• În cazul cadrului de tip 2 pot exista mai multe resurse PRACH pe subcadru

o Secvenţele de preambul aleator sunt obţinute din secvenţe Zadoff-Chu obţinute din una sau mai

multe secvenţe de bază, sunt 64 de secvenţe disponibile în fiecare celulă

STLA - Curs 9 2019-2020 30

CANALE FIZICE LTE – DL

❑ Canale fizice downlink:

o Un canal fizic DL corespunde la un set de elemente resursă care transportă în DL informaţii

generate de straturile superioare

o Sunt definite următoarele canale downlink:

▪ Physical Downlink Shared Channel, PDSCH

▪ Physical Broadcast Channel, PBCH

▪ Physical Multicast Channel, PMCH

▪ Physical Control Format Indicator Channel, PCFICH

▪ Physical Downlink Control Channel, PDCCH

▪ Physical Hybrid ARQ Indicator Channel, PHICH

STLA - Curs 9 2019-2020 31

CANALE FIZICE LTE – DL

❑Procesările realizate pe canalele fizice downlink:

o Aleatorizarea biţilor codaţi în fiecare cuvânt de cod ce se transmite pe canalul fizic

o Modularea biţilor aleatorizaţi pentru a se genera simbolurile modulate complexe

o Maparea semnalelor modulate complexe în una sau mai multe nivele de transmisie

o Precodarea semnalelor modulate complexe în fiecare nivel pentru transmisia pe porturi de

antenă

o Maparea simbolurilor modulate complexe pentru fiecare port de antenă pe elementele resursă

o Generarea semnalului OFDM complex în domeniul timp pentru fiecare port de antenă

STLA - Curs 9 2019-2020 32

CANALE FIZICE LTE – DL

o Aleatorizarea: biţii cuvintelor de cod transmise într-un subcadru se aleatorizează conform unei

reguli impuse

▪ Într-un subcadru se pot transmite două cuvinte de cod

o Scheme de modulaţie:

▪ PDSCH: QPSK, 16QAM, 64QAM; PMCH: QPSK, 16QAM, 64QAM

o Maparea pe nivele de transmisie

▪ Necesară pentru implementarea tehnicilor multiantenă

▪ Pot exista 1, 2 sau 4 nivele de transmisie

▪ Se pot utiliza tehnici de multiplexare spaţială sau tehnici de diversitate

o Precodarea: implementează tehnicile multiantenă și se utilizează în conjuncţie cu tehnicile de

mapare

o Maparea pe elementele resursă

▪ Maparea pe elemente resursă, neutilizate pentru alte scopuri, pe porturile antenă se realizează prin

creşterea indexului k şi apoi a indexului l începând cu primul slot din subcadru

STLA - Curs 9 2019-2020 33

CANALE FIZICE LTE – DL

❑ Physical downlink shared channel – PDSCH:

o Dacă nu se transmit semnale de referinţă specifice utilizatorului se utilizează porturile antenă

0,1,2 şi 3

o Dacă se transmit semnale de referinţă specifice utilizatorului portul antenă folosit este 5

❑ Physical multicast channel – PMCH:

o Este caracterizat de câteva restricţii:

▪ Nu se utilizează scheme de diversitate

▪ Există câteva limitări impuse simbolurilor şi subcadrelor unde se poate transmiste PMCH

❑ Physical broadcast channel – PBCH:

o Se utilizează o secvenţă de aleatorizare specifică celulei

o Se utilizează modulaţie QPSK și se pot utiliza tehnici multiantenă

o Maparea pe elementele resursă se realizează conform unei reguli impuse

STLA - Curs 9 2019-2020 34

CANALE FIZICE LTE – DL

❑ Physical control format indicator channel – PCFICH:

o Transportă informaţii referitoare la numărul de simboluri OFDM (1, 2 sau 3) utilizate pentru

transmisia canalului PDCCH într-un subcadru

o Aleatorizarea se realizează cu o secvenţă specifică celulei

o Modulaţia utilizată: QPSK

o Se pot utiliza tehnici multiantenă; trebuie utilizate aceleaşi porturi antenă ca şi în cazul PBCH

o Maparea pe elementele resursă trebuie să ia în considerare tehnicile multiantenă

❑ Physical downlink control channel – PDCCH:

o Transportă informaţie de scheduling şi alte informaţii de control

o Un canal fizic de control se transmite utilizând o agregare a unuia sau a mai multor elemente de

canale de control (CCE – “Control Channel Element”)

STLA - Curs 9 2019-2020 35

CANALE FIZICE LTE – DL

▪ Un CCE corespunde la un set de elemente resursă

▪ Mai multe PDCCH se pot transmite într-un subcadru şi există mai multe formate PDCCH

▪ Se definesc proceduri de aleatorizare şi multiplexare a mai multor canale într-un subcadru

▪ Modulaţia utilizată este QPSK

▪ Sunt definite proceduri separate de mapare

❑ Physical hybrid ARQ indicator channel – PHICH:

o Transportă ACK/NAK H-ARQ;

o PHICH multiple mapate pe acelaşi set de elemente resursă formează un grup PHICH

o Modulaţia utilizată poate fi oricare din cele definite

o Maparea pe nivele şi pe elementele resursă descrise separat

o Detalii exacte se găsesc în standardele 3GPP, Release 8

STLA - Curs 9 2019-2020 36

CANALE FIZICE LTE – DL

❑ Semnale de referinţă:

o Se definesc trei tipuri de astfel de semnale:

▪ Semnale specifice celulă asociate cu transmisii non-MBSFN

▪ Semnale de referinţă MBSFN asociate cu transmisii MBSFN

▪ Semnale de referinţă specifice UE

o Există un singur semnal de referinţă transmis pe port de antenă

❑ Semnale de referinţă specifice celulei:

o Se transmit în toate subcadrele DL în celule care suportă transmisii non-MBSFN

▪ MBSFN: “Multi-Media Broadcast over a Single Frequency Network”

• O metodă posibilă pentru implementarea serviciilor Multimedia Broadcast Multicast Service

o În cazul subcadrelor utilizate pentru MBSFN numai primele două simboluri OFDM dintr-un

subcadru pot fi utilizate pentru transmisia unor semnale de referinţă specifice celulei

o Se transmit pe una sau mai multe porturi antenă

STLA - Curs 9 2019-2020 37

CANALE FIZICE LTE – DL

o Metoda de generare a secvenţelor

▪ Generarea secvenţei de referinţă bidimensionale rm,n(ns) depinde de prefixul ciclic; ns reprezintă

numărului slot-ului în cadrul radio

▪ În cazul prefixului ciclic normal secvenţa de referinţă bidimensională se obţine ca şi produsul simbol cu

simbol a altor două secvenţe bidimensionale rm,n(ns) = rm,nOSrm,n

PRS(ns)

▪ rm,nOS este o secvenţă ortogonală bidimensională; m şi n definesc secvenţa: n=0, 1; m=0, 1, ..., 219;

există 3 secvențe ortogonale

▪ rm,nPRS(ns) reprezintă o secvenţă pseudoaleatoare bidimensională; există 168 secvenţe

pseudoaleatoare

▪ Există o mapare unu la unu între cele trei identităţi din cadrul grupului de identităţi celulă de la nivel

fizic şi cele trei secvenţe ortogonale

▪ În cazul prefixului ciclic extins rm,n(ns) se generează dintr-o secvenţă pseudoaleatoare bidimensională

rm,nPRS(ns), există 504 secvenţe pseudoaleatoare

▪ Există o mapare unu la unu între identitatea celulei la nivel fizic şi secvenţele pseudoaleatoare

STLA - Curs 9 2019-2020 38

CANALE FIZICE LTE – DL

❑ Semnale de referinţă MBSFN:

o Semnalele de referinţă MBSFN se transmit numai în subcaderele alocate pentru transmisia

MBSFN şi numai pe portul de antenă 4

❑ Semnale de referinţă specifice UE:

o Sunt suportate de transmisia PDSCH pe portul antenă 5 și sunt selectate de nivelele superioare

❑ Semnale de sincronizare:

o Există un număr de 504 de identităţi unice a celulelor la nivel fizic

▪ Aceste identităţi sunt grupate în 168 de grupuri a câte trei identităţi unice

▪ Fiecare indentitate de celulă la nivel fizic face parte dintr-un singur grup

▪ Grupul se identifică prin NID(1) şi ia valori între 0 şi 167; elementul din grup se identifică prin NID

(2) şi ia

valori între 0 şi 2: NIDcell = 3NID

(1) + NID(2)

• Adunarea este modulo trei

STLA - Curs 9 2019-2020 39

CANALE FIZICE LTE – DL

o Semnalul de sincronizare primar:

▪ Este utilizat pentru a detecta temporizarea de slot şi identitatea în cadrul unui grup

▪ Se generează din secvenţe Zadoff-Chu în domeniul frecvenţă

▪ Maparea pe elementele resursă depinde de structura cadrului

• Portul antenă utilizat pentru transmisia acestei secvenţe nu este specificată

▪ Pentru structura de cadru de tipul 1 secvenţa de sincronizare se transmite numai în sloturile 0 şi 10

▪ Pentru structura de cadru de tip 2, semnalul de sincronizare primar se transmite în primul simbol al

câmpului DwPTS

STLA - Curs 9 2019-2020 40

CANALE FIZICE LTE – DL

o Semnalul de sincronizare secundar

▪ Se foloseşte la:

• Realizare sincronizare cadru

• Determinare identitate de grup

• Determinare lungime prefix ciclic

• Identificare mod de duplexare

▪ Reprezintă o secvenţă de lungime 62, obţinută din întreţeserea a doua secvenţe binare de lungime 31

• Secvenţa concatenată este aleatorizată (“scrambled”) cu ajutorul unei secvenţe ce depinde de semnalul de

sincronizare binar

• Se transmite în sloturile 0 şi 10 în cadre de tip 1, şi în sloturile 2 şi 12 în cadre de tip 2

STLA - Curs 9 2019-2020 41

CANALE FIZICE LTE – DL

❑ Generarea semnalului OFDM bandă de bază:

o Semnalul continuu în timp pe portul de antenă p şi în simbolul l:

𝑠𝑙𝑝 𝑡 =

𝑘=− 𝑁𝑅𝐵𝑈𝐿𝑁𝑠𝑐

𝑅𝐵/2

−1

𝑎𝑘(−),𝑙

𝑝𝑒𝑗2π𝑘Δ𝑓(𝑡−𝑁𝐶𝑃,𝑙𝑇𝑠) +

𝑘=1

𝑁𝑅𝐵𝑈𝐿𝑁𝑠𝑐

𝑅𝐵/2

𝑎𝑘(+),𝑙

𝑝𝑒𝑗2π𝑘Δ𝑓(𝑡−𝑁𝐶𝑃,𝑙𝑇𝑠) ,

0 ≤ 𝑡 < 𝑁𝐶𝑃,𝑙 + 𝑁 𝑇𝑠, 𝑘− = 𝑘 +

𝑁𝑅𝐵𝑈𝐿𝑁𝑠𝑐

𝑅𝐵

2, 𝑘 + = 𝑘 +

𝑁𝑅𝐵𝑈𝐿𝑁𝑠𝑐

𝑅𝐵

2− 1

▪ Variabila N ia valoarea 2048 pentru separaţie subpurtătoare 15kHz şi 4096 pentru separare

subpurtătoare de 7.5kHz

▪ Simbolurile OFDM dintr-un slot trebuie transmise în ordinea crescătoare a lui l

STLA - Curs 9 2019-2020 42

CANALE LOGICE ȘI DE TRANSPORT LTE

❑Canale de transport:

o Pentru a se reduce complexitatea stivei de protocoale LTE numărul canalelor de transport a fost

redus

▪ Nu mai sunt definite canale de date dedicate, fiind utilizate canalele partajate

o Canalele de transport DL sunt următoarele:

▪ Broadcast Channel (BCH)

▪ Downlink Shared Channel (DL-SCH)

▪ Paging Channel (PCH)

▪ Multicast Channel (MCH)

o Canalele de transport UL sunt următoarele:

▪ Uplink Shared Channel (UL-SCH)

▪ Random Access Channel (RACH)

STLA - Curs 9 2019-2020 43

CANALE LOGICE ȘI DE TRANSPORT LTE

❑ Canale logice:

o Canalele logice pot fi clasificate în canale de control şi canale de trafic

o Canalele de control sunt:

▪ Broadcast Control Channel (BCCH)

▪ Paging Control Channel (PCCH)

▪ Common Control Channel (CCCH)

▪ Multicast Control Channel (MCCH)

▪ Dedicated Control Channel (DCCH)

o Canalele de trafic sunt:

▪ Dedicated Traffic Channel (DTCH)

▪ Multicast Traffic Channel (MTCH)

STLA - Curs 9 2019-2020 44

CANALE LOGICE ȘI DE TRANSPORT LTE

STLA - Curs 9 2019-2020 45

ARHITECTURA DE SISTEM SAE

❑ Relaţia dintre LTE şi SAE:

o Implementarea LTE necesită o reţea “core” de performanţă ridicată

o Implementarea LTE fără SAE este posibilă teoretic dar nu are sens

▪ Definirea specificaţiilor LTE şi SAE au fost sincronizate în timp

❑ SAE: “System Architecture Evolution”

o Definit de 3GPP pentru sisteme wireless

o Este compatibil cu implementările de reţele 3GPP curente

o Arhitectură simplificată pentru asigurarea unui throughput ridicat, întârzieri reduse și QoS

o Handover şi interconectare cu alte tehnologii de acces 3GPP (UMTS, HSPA şi HSPA+)

▪ Asigură introducerea uşoară a unui serviciu nou

STLA - Curs 9 2019-2020 46

ARHITECTURA DE SISTEM SAE

❑ Terminologie:

o EPC = Evolved Packet Core

o EPS = Evolved Packet System

▪ Include EPC, LTE şi terminalele

❑ LTE este o reţea de acces bazată numai pe comutaţie de pachete

o Nu se utilizează deloc comutaţie de circuite

o Este optimizat pentru servicii bazate pe IP, incluzând serviciile de telefonie

o Se specifică proceduri de handover către reţele bazate pe comutaţie de circuite

o Reţeaua “core” de pachete este transparentă modulului IMS (practic încorporează IMS)

▪ “IP Multimedia Subsystem” (IMS): modul de arhitectură care asigură servicii IP multimedia

o Suportă tehnologii multiple de acces radio 3GPP (GERAN, UTRAN)

o Încorporează de asemenea acces non-3GPP (de ex. WiMAX, WLAN)

STLA - Curs 9 2019-2020 47

ARHITECTURA DE SISTEM SAE

❑ În sistemul LTE cea mai mare parte a funcţionalităţilor RNC sunt mutate în

eNodeB

o UMTS RNC nu mai este definit

o eNodeB este conectat direct la reţeaua de pachete EPC (“Evolved Packet Core”)

STLA - Curs 9 2019-2020 48

ARHITECTURA DE SISTEM SAE

❑ Sistemul LTE asigură un management simplificat al mobilităţii

o Se definesc modulele MME/UPE:

▪ “Mobility Management Entity” (MME)

• Sarcinile acestui modul includ:

• Identificare mobil,

identificare stări de mobilitate

▪ “User Plane Entity” (UPE)

• Sarcinile acestui modul includ:

• Iniţiere paging

• Stabilire parametrii bearer IP

STLA - Curs 9 2019-2020 49

ARHITECTURA DE SISTEM SAE

❑ Distribuţia funcţionalităţiilor EPS:

o “Enhanced Node B” (eNB) realizează următoarele funcţii:

▪ “Radio Resource Management”

▪ “Radio Bearer Control”

▪ “Radio Admission Control”

▪ “Connection Mobility Control”

▪ “Scheduling” – alocarea dinamică a resurselor la UE (“User Equipment”) atât în downlink cât şi în

uplink

▪ Compresie header IP şi criptare flux date utilizator

▪ Selecţia unui MME la conectarea UE

▪ Rutarea datelor din planul utilizator către “gateway” SAE

▪ Realizare măsurători şi raportarea măsurătorilor pentru mobilitate şi scheduling

STLA - Curs 9 2019-2020 50

ARHITECTURA DE SISTEM SAE

o MME realizează următoarele funcţii:

▪ Distribuţia mesajelor de paging către eNB-uri

▪ Control securitate

▪ Control mobilitate în stare “Idle”

▪ Control bearer SAE

▪ Criptare şi protecţie integritate semnalizare NAS

• NAS: “Non-Access Stratum”; semnalizarea NAS se termină în MME şi este responsabilă pentru

generarea şi alocarea indentificatoarelor temporare la UE

o SAE Gateway (MME&UPE) realizează următoarele funcţii:

▪ Terminaţie pentru pachetele din planul U (user plane)

▪ Comutaţia în planul U pentru a suporta mobilitatea UE

STLA - Curs 9 2019-2020 51

STIVA DE PROTOCOALE E-UTRAN

❑ Există definite două planuri:

o Planul U (RLC/MAC/PHY)

o Planul C (RRC) – terminaţie protocol către UE

❑ Interfaţarea dintre eNBs şi aGW (access gateway) se realizează prin interfaţa S1

❑ Funcţii eNodeB (concluzie)

o Toate aspectele legate de interfaţa radio; management mobilitate descentralizat; MAC şi

RRM; RRC simplificat

❑ Funcţiile aGW (MME+UPE):

o Generare paging; management mod LTE_IDLE; criptare plan utilizator; compresie Header

STLA - Curs 9 2019-2020 52

STIVA DE PROTOCOALE E-UTRAN

STLA - Curs 9 2019-2020 53

ASPECTE LEGATE DE ARQ

❑ Funcţionalitatea de ARQ asigură corecţia erorilor prin utilizarea retransmisiilor în stratul 2

❑ Caracteristici ARQ:

o ARQ retransmite unităţi RLC SDUs (pachete IP)

o Retransmisiile ARQ se bazează pe interacţiunea H-ARQ/ARQ

o ARQ utilizează informaţiile obţinute de la blocul H-ARQ relativ la transmisia/recepţia blocurilor

de transport

❑ Funcţionalitatea de H-ARQ asigură transferul corect al datelor între entăţile comunicante

în stratul 1

❑ Caracteristicile H-ARQ:

o Se utilizează “N-process Stop-And-Wait H-ARQ”

o H-ARQ se bazează pe semnale ACK/NACK

o Retransmisii asincrone cu modificarea adaptivă a parametrilor atât în downlink cât şi în uplink

STLA - Curs 9 2019-2020 54

HANDOVER ÎN LTE

❑ Procesul de handover

intra-LTE în arhitectura

LTE/SAE:

o Se pot identifica două

faze: Handover radio

şi “Update” cale

STLA - Curs 9 2019-2020 55

HANDOVER ÎN LTE

❑ Procesul de handover (intra-LTE HO) este controlat de către reţea

o Decizia este luată de către eNodeB (eNB) sursă

o Există două faze:

▪ Faza de pregătire a eNodeB nou pentru transferul datelor ce descriu procesul de comunicaţie înainte

de comanda de HO

• Reţeaua “core” nu este implicată în faza de pregătire

▪ Tot în această fază se realizează transferul datelor din planul utilizator între eNB sursă şi eNB nou

• Această abordare este cunoscut sub numele: “Make before brake approach”

▪ Comutarea căii către aGW

▪ Comutarea se realizează după stabilirea unei conexiuni noi între UE şi eNB final

• Nu se realizează bufferare la aGW

STLA - Curs 9 2019-2020 56

HANDOVER ÎN LTE

o Performanţe:

▪ Întreruperi scurte de ordinul a

30 ms

▪ Aceeaşi procedură de

handover se poate folosi atât

pentru servicii “real-time”

(sensibile la întârzieri) şi

servicii “non real-time”

(insensibile la întârzieri)

▪ Handover soft fără pierderi

o Diagrama procesului de

handover şi semnalizările

implicate

STLA - Curs 9 2019-2020 57