UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCUREȘTI

Facultatea de Electronică, Telecomunicații si Tehnologia Informației

Semnale in transmisia de mare viteza

UMTS - LTE

Student:

NEDELOIU DUMITRU-VALENTIN (SIVA)

București 2014

Banda de frecvente

UMTS

UMTS trebuie sa opereze in banda de frecvente definite de 3GPP TS 25.104. In modul FDD, perechile de benzi trebuie sa aiba minim 300MHz separare intre UL si DL. Uplink(UL) se refera la transmisia de la telefon catre statia de baza si este intotdeauna frecventa mai joasa, deoarece telefonul are o putere mai mica de emisie decat statia de baza si frecventele mai mici se transmit la distante mai mari.

Banda de frecvente UMTS[1]

UARFCN (numarul canalului de frecventa absoluta) reprezinta numarul canalului purtatoarei de reprezinta numarul canalului purtatoarei de 5 MHz. Doar 3.84 MHz sunt necesari pentru transmisie, in timp ce 116 KHz reprezinta banda de garda adiacenta UARFCN-ul respective( 580 KHz +3840 KHz+ 580KHz= 5 MHz).

UARFCN, numarul canalului este calculate in concordanta cu frecventa purtatoarei.

UARFCN UMTS[1]

LTE

In continuare este reprezentata banda de frecvente E-UTRA, impreuna cu modului duplex( FDD sau TDD). Sunt in total 22 de benzi definite pentru FDD si 9 benzi pentru TDD.

Banda de frecvente pentru LTE[6]

Limita inferioara a benzilor de frecventa este stabilita de marimea fizica a componentelor (in special antene) si nivelele crescande ale interferentei intre celulele apropiate care opereaza pe aceleasi frecvente. Limita superioara este stabilita de distanta limitata care poate fi acoperita de semnalele radio in benzile de frecvente mai inalte. In general vorbind, benzile de frecvente mai joase (in mod tipic sub 1 GHz) sunt mai potrivite pentru a furniza o arie de acoperire mai larga si o penetrare mai buna in cladiri(prin urmare acestea sunt denumite uneori ca si „benzi de acoperire”), in timp ce benzile de frecvente mai inalte sunt mai potrivite pentru a furniza o capacitate mare folosind un numar mai mare de celule mai mici (si drept urmare sunt denumite „benzi de capacitate”).

Majoritatea benzilor de frecvente utilizate in prezent pentru retele publice de comunicatii mobile cuprind benzi de frecventa pereche pentru a permite operarea în modul duplex cu diviziune în frecventă (FDD – Frequency Division Duplex). FDD minimizeaza riscul interferentelori intre retelele din zone adiacente sau care utilizeaza canale de frecvente adiacente, prin transmiterea semnalelor uplink (receptia statiei de baza) si downlink (emisia statiei de baza) pe frecvente separate. Frecvente nepereche au fost alocate de asemenea pentru utilizare mobila, permitand operarea in modul duplex cu diviziune in timp

(TDD – Time Division Duplex), dar acest mod de operare este mai dificil de planificat datorita riscului crescut de interferenta dintre echipamentele mobile si statiile de baza (care trebuie sa transmita si sa receptioneze pe aceeasi frecventa). Desi spectrul TDD a fost pus la dispozitie odata cu spectrul FDD pentru servicii 3G in 2002, acestea nu au fost utilizate comercial pana in prezent. Modelarea noastra, se concentreaza prin urmare exclusiv pe spectrul pereche.

Frecventele mai joase furnizeaza o arie de acoperire mai mare de la fiecare statie de baza, insemnand ca sunt necesare mai putine site-uri pentru a furniza nivelele cerute de acoperire si calitate a serviciului. Deoarece costul de punere in functiune si operare a statiilor de baza este relativ independent de banda de frecventa, costul suportat pentru implementarea retelei pentru a atinge un nivel dat de acoperire este mai mic daca un operator are acces la spectrul de 900 MHz decat daca un operator are acces numai la spectrul de 2 GHz.

Tipuri de Modulatii

În WCDMA datele sunt transmise prinn canale de transport dedicate multiplexate în cod pe o purtătoare de radiofrecvenţă. În esenţă, WCDMA este un sistem static în care utilizatorul ocupa un canal la viteze de transmisie constantă a datelor. În acest mod, utilizatorii pot ocupa in mod utilcapacitatea, reducând astfel traficul general din celulă. Sistemul este proiectat artfel incat sa realizezemaximum de performantă în cazul fluxurilor continue de date. Dar in marea lui majoritate date se transmite în rafale (bursturi) de pachete, de marc viteză. Prinn introducerea unui canal de transport, folosit în partaj de mai mulţi utilizatori. HSDPA modifică în mod dinamic lărgime, de bandă alocată utilizatorilor individuali, în funcţie de condiţiile radio locale. Utilizarea eficienta aresurselor se asigură astfel prin multiplexarea în timp a mai multor utilizatori.

În HSDPA, schema de modulare şi de codare este modificată dinamic, in funcţie de calitateanecesară a conexiunii radio. Tehnicile de modulare şi codare adaptive asigură cea mai mare viteză dedate posibilă atât pentru utilizatorii aflaţi în apropierea staţiei de bază, care beneficiază de o calitatcbună a semnalului şi deci de viteze mai mari, cât şi pentru cei aflaţi la marginea celulei. Realocarearesurselor este eficientă în HSPA deoarece decizia referitoare la modul de transmisie al pachetelor dedate este luată la staţia de bază, deci aproape de interfaţa radio şi nu la un nivel mai depărtat deaceasta. Rezultatul obţinut este o programare mai rapidă a realocării dinamice a resurselor, cudiferenţieri între utilizatori şi între servicii. Practic, realocarea resurselor se poate realiza înaproximativ cinci sutimi de secundă. Mutarea deciziei realocării resurselor la staţia de bazaîmbunătăţeşte răspunsul in timp şi permite o retransmisie rapidă a pachetelor dc date, în cazul în carese constată erori ale conexiunii.

Iniţial HSPA a fost dezvoltat în zone urbane, crescând viteza de transmisie şi reducândîntârzierile, în timp ce restul reţelei a continuat să funcţioneze încă pe baza EDGE. Extindereaacoperirii HSPA este dezvoltată în reţea într-un ritm stabilit prin modelul de afaceri folosit de operator,de investiţiile anterior realizate precum şi de solicitările utilizatorilor. Procesul de îmbunătăţire

continuă prin introducerea HSPA+, care oferă o creştere suplimentară a vitezelor de transmisie de vârf,o întârziere mai mică, o capacitate mai mare, o îmbunătăţire a VoIP şi a serviciilor de distribuţiemultiplă. în acelaşi timp, HSPA+ îmbunătăţeşte capacităţile reţelei atât pentru serviciile în timp non-real cât şi pentru cele în timp real.

HSPA+ introduce folosirea unor scheme de modulaţie de ordin superior, care permitutilizatorului să obţină viteze de transmisie sensibil mai mari, în condiţii favorabile de propagare. Suntintroduse şi facilităţi pentru utilizarea MIMO, prin care se creşte şi mai mult viteza de transmisie devârf precum şi eficienţa spectrală. MIMO reprezintă o tehnologie de antene care foloseşte o tehnicăavansată de procesare a semnalului, cu scopul de a creşte capacitatea conexiunii radio. Se folosesc maimulte artene şi mai multe canale, cu fluxuri diferite de date pe fiecare dintre antene. în HSPA+,MIMO transmite în paralel, de la acelaşi terminal, mai multe fluxuri de date. Fluxurile de date parcurgcai de propagare diferite şi pot fi separate la recepţie printr-o decodare corespunzătoare, ceea ce poateconduce la un câştig semnificativ în transmisia datelor. Prin folosirea tehnologiei MIMO şi a unormodulaţii de ordin superior, HSPA+ ajunge la viteze de transmisie de vârf de 4,2 Mbit/s pentru sensuidescendent şi de 1: Mbit/s pentru sensul ascendent, în cazul folosirii unui canal cu lărgimea de bandade 5 MHz.

Îmbunătăţirile aduse în HSPA+ prin conectarea continuă de pachete. CPC, îmbunatatestereacţiile în timp după starea mactivă (idle state). în care nu ,e realizează transferule de date. Acesta seobţine prin folosirea unor caracteristici discontinue de transmisie si de receptie, care minimizeazaconsumul de putere şi semnalizările necesare la interfaţa radio. CPC permite utilizatorilor sa ramanamai mult timp in modul conectat, fără consumuri inutile de putere de la sursa de alimentareMinimizarea consumului de putere conduce la o creştere a duratei de funcţionare a sursei de alimentarecu până la 50%. In acelaşi timp, reţelele care folosesc HSPA- pot oferi o capacitate VoIP de pâna latrei ori mai mare decât cea a reţelelor HSPA.

HSPA+ introduce opţional o arhitectură uniformă (de tip "flat"), care reduce întârzierea laaproximativ 10 ms, prin comparaţie cu cea a HSPA, care este de aproximativ 60 ms şi oferă o reţeabazată pe un transport IP/MPLS , Această arhitectură permite ca staţia de bază să se comporte caun ruter IP care se conectează la reţea prin intermediul standardului Ethernet. Se elimină astfelnecesitatea controlorului de reţea radio, RNC şi reduce în mod semnificativ sarcina pentru nodulsuport de serviciu, SGSN, având drept consecinţă o reducere semnificativă a costului pe bit.

În cadrul unor faze mai evaluate ale HSPA+, folosind o combinaţie de tehnici de purtătoaremultiple şi de tehnologii MIMO, s-ar putea obţine în principiu viteze de vârf de 84 Mbit/s pentrusensul descendent şi de 23 Mbit/s pentru sensul ascendent. Aceste viteze pot să fie obţinute deoperatori care beneficiază de benzi adiacente perechi, de 5 MHz. Acestea sunt vitezele cele mai maricare pot fi obţinute în reţelele cu tehnologie WCDMA. în concluzie, HSPA+ reprezintă o continuarelogică a 3G/WCDMA şi, în acelaşi timp, un pas către noua platformă radio, 3GPP LTE.

Folosirea tehnologiei OFDM

O abordare bazată pe OFDM pentru a oferi o interfaţă radio complet nouă a reprezentat un pasradical întreprins de 3GPP. Aceasta permite ca pentru sistemele WCDMA să se realizeze îmbunătăţiri

ale performanţelor. Tehnologiile bazate pe OFDM pot să ofere viteze mari de transmisie a datelor prinimplementări simple, cu costuri relative reduse şi cu un mod eficace de folosire a puterii.

În sistemele WCDMA, vitezele de transmisie a datelor sunt limitate de lărgimea de bandă acanalului, care în variantele iniţiale ale UMTS era de 5 MHz. în cazul LTE se evită această limitareprin posibilitatea măririi benzii până la 20 MHz. Folosind lărgimi de bandă situate sub 10 MHz,HSPA+ şi LTE oferă performanţe similare pentru aceiaşi număr de antene. Folosirea unei benzi maimari, de 20 MHz, crează pentru WCDMA probleme din punctul de vedere al întârzierii de grup, carelimitează viteza realizabilă de transmisie a datelor. LTE depăşeşte această limitare folosind tehnologiaOFDM, care împarte canalul de 20 MHz în multe canale de bandă îngustă, fiecare subcanal de bandăîngustă fiind folosit la întreaga sa capacitate, din combinaţia acestora obţinându-se viteza totală detransfer a datelor prin reţea.

Tehnologia OFDMA se bazează pe atribuirea unor grupuri de subcanale diferite la diverşiutilizatori. Folosind OFDMA se evită problemele cauzate de propagarea pe căi multiple, deoarecemesajele conţinute de fiecare subcanal sunt transmise cu o viteză suficient de mică astfel încât copiileîntârziate, realizate prin reflexie, să ajungă la recepţie cu întârzieri de ordinul fracţiunilor de timp dintimpul necesar pentru transmiterea unui bit. Pentru transmiterea simultană a mesajelor cu viteză micaîn OFDMA se formează mii de canale. Prin combinarea la recepţie a mesajelor transmise pnnsubcanale se obţine mesajul de mare viteză. Astfel se evită distorsiunile cauzate de propagarea pe ca.multiple atunci când viteza de transmisie a biţilor este mare.

Subcanalele de bandă îngustă OFDMA sunt alocate rafală cu rafală, folosind algoritmi care ţinseama de factorii RF ai mediului precum calitatea canalului, încărcarea, interferenţele. Rezistenţa faţăde interferenţe se bazează pe natura ortogonală a OFDM, în care nulul răspunsului de fază apurtătoarei se situează exact peste vârful purtătoarei adiacente. Deci pentru prevenirea unor perturbaţiiîntre purtătoare este esenţială o performanţă bună pentru zgomotul de fază.

LTE foloseşte OFDMA doar pentru sensul descendent de comunicaţie. Pentru sensulascendent se foloseşte accesul multiplu cu diviziune de frecvenţă, cu purtătoare unică, SC-FDMA.Tehnic, SC-FDMA este similar cu OFDMA, dar este mai bine adaptată la echipamentele mobile,deoarece are nevoie de o putere mai mică la baterie.

OFDMA vs. SC-FDMA[7]

In sistemele OFDMA transmitatorul foloseste multiple subpurtatoare pentru a modula informatia in paralel si și apoi le trimite printr-o transformata Fourier rapidă inversă (IFFT), care este o însumare ponderată a acestor simboluri independente.

Semnale SC-FDMA si OFDMA[9]

OFDM reprezintă formă specială de modulaţie cu mai multe purtătoare. Fluxul de datede intrare, reprezentat prin simbolurile de transmis este împărţit în mai multe fluxuri de simboluri, deviteză mult mai mică, fiecare dintre acestea modulând câte o subpurtătoare. Ideea de bază aOFDM este transformarea canalului selectiv cu frecvenţa la fading în mai multe subcanale paralele, cu fading uniform, pe care sunt transmise simbolurile fluxului de informaţii.

Tehnologia OFDM permite utilizarea subpurtătoarelor modulate în benzi suprapusefiră a genera interferenţe. Prin tehnica OFDM se pot realiza transmisii de date cu viteze maritransmisie, utilizându-se perioade de simbol mari, astfel încât să se elimine interferenţele dintre

simboluri, ISI. OFDM poate fi considerat ca o tehnică de modulaţie utilizată într-un mediu detransmisie pe cai multiple şi de bandă largă.

Din punct de vedere al accesului multiplu la utilizatori, OFDM este similar cu FDMA,deoarece acest acces este realizat prin subdivizarea benzii disponibile în mai multe canale.Principiile de folosire ale OFDM sunt aceleaşi pentru ambele sensuri de comunicaţie, de laechipamentul mobil la reţea şi de la reţea la echipamentul mobil. Banda W disponibilă a canalului esteîmpărţită în Nc subpurtătoare. Numărul Nc de subpurtătoare este ales a fi cât mai mare posibil.Valoarea pentru Nc este limitată de timpul de coerenţă, adică perioada de simbol OFDM, Nc / W<Apoi, aceste canale vor fi alocate utilizatorilor.

OFDM [10]

Pentru a evita interferenţele între canale, în cazul folosirii FDM, între canalele transmisetrebuie să fíe asigurate intervale de gardă. în cazul OFDM, se poate asigura o folosire maieficientă a spectrului printr-o dispunere a canalelor cât mai apropiate unul de altul.Acestlucru se obţine dacă toate purtătoarele sunt ortogonale între ele, astfel prevenindu-se interferenţeleîntre purtătoare, ICI. Ortogonalitatea purtătoarelor înseamnă faptul că fiecare purtătoare realizează unnumăr întreg de cicluri pe o perioada de simbol. Din această cauză, în spectrul fiecărei purtătoare seobţine un nul la frecvenţa centrală a fiecăreia dintre celelalte purtătoare din sistem. Maiprecis, două semnale periodice sunt ortogonale când integrala produsului dintre ele de-a lungulperioade este egală cu zero.

Un sistem SC-FDMA utilizează o singura purtatoare pentru a modula simboluri de informatie secvențial. Pe partea de transmițător, blocul suplimentară a SC-FDMA-ului este o Transformata Fourier Discretă (DFT). Acest bloc transformă un domeniu de timp în domeniul de frecvență. Apoi, informațiile domeniului de frecvență este mapat la o gamă mai largă (raspandire) și trece printr-o IFFT, care transformă informațiile domeniul de frecvență înapoi în domeniul timp. SC-FDMA este mentionat ca DFT de imprastiere OFDMA. Deoarece simbolurile individuale sunt distribuite pe mai multe purtătoare, probleme PAPR, asociate cu OFDMA tradițional transmisii sunt reduse.

Arhitectura network si interfete

Reţeaua nucleu evoluată cu pachete, EPC, reprezintă o arhitectură concepuută astfel încât să realizeze o integrare lină cu reţelele de comunicaţie bazata pe pachete IP, EPC fiind în întregime bazat pe transmisia de pachete. Opţiunea principala este de a prelucra apelurile realizate în mod circuit şi cele multimedia printr-o reţea de bază IMS. O alternativa, discutata in ediţia 9 pentru LTE a 3GPP ar fi să se prelucreze apelurile realizate pe circuite comutate prin MSC existente la care să se implementeze o funcţie de mediere. EPC oferă deci o reţea de tip integral IP, care permite conectarea şi transferul către alte tehnologii de acces, inclusiv către tehnologiile 3GPP şi 3GPP2 ca şi către cele WiFi precum şi către tehnologiile de reţele fixe ca DSL şi GPON.

Reţeaua E-UTRAN este mult simplificată faţă de reţelele 3GPP mai vechi .Problemele referitoare la procesarea pachetelor IP sunt gestionate de EPC, permiţând timpi mai rapizide răspuns în cazul retransmisiei şi al reprogramării, ceea ce micşorează întârzierea de tranzit. RNC afost eliminat în totalitate, iar funcţiunile acestuia au fost preluate de nodul B evoluat (enod B), conectatdirect la reţeaua evoluată de bază în mod pachet.

Reţeaua nucleu evoluată, cu comutare de pachete este astfel realizată încât permite conectareadirectă la alte reţele wireless. Operatorii pot gestiona funcţiuni critice ale reţelelor mobile precummobilitatea, transferul, autentificarea şi securitatea pe măsură ce extind reţeaua la alte tehnologii deacces bazate pe IP.

Protocoalele IP au fost dezvoltate în reţelele cablate, în care punctele finale ale conexiunii dedate şi capacităţile asociate acestora sunt, de regulă, statice. în reţelele fixe apar probleme de trafic atunci când conexiunile sunt supraîncărcate sau sunt întrerupte. Supraîncărcările pot fi gestionate prin controlul volumului de trafic, deci prin limitarea numărului de utilizatori conectaţi la un hub şi a benzii de care aceştia pot să dispună.

În cazul reţelelor wireless problema este mai dificilă. într-o conexiune wireless, în particular încazul unei legături rapid adaptabile, aşa cum este cazul LTE, capacitatea este o funcţie dependentă întimp de factori precum pierderile RF pe traseu şi de distanţa de la staţia de bază. Deci capacitateavariază cu încărcarea celulei, care este un parametru ce nu se află sub controlul operatorului, deoareccnumărul de utilizatori dintr-o celulă este variabil în timp.

Sistemele wireless folosesc o ratare IP dinamică. Mecanismele de control al fluxului şi alcalităţii cap-la-cap a serviciului, QoS acţionează în mod dinamic, adaptându-se la variaţiile de lărgimede bandă. Aceasta reprezintă o problemă complicai de rezolvat, deoarece variaţiile pot fi rapide(fadingul RF produce variaţii considerabile în intervale mai mici de o secundă), iar nivelul de RF poatevaria cu 2CK-30 dB într-un interval de câteva secunde, ceea ce conduce la variaţii de viteză de la circa100 kbits/ la circa 10 Mbit/s într-un interval de timp de sub o secundă. Alte variaţii sunt nepredictibileşi depind de comportarea utilizatorilor din celulă.

Pentru a gestiona variaţiile rapide ale vitezei de transmisie a datelor, LTE foloseşte tehnologiade retransmisie la eNodB. Aceasta înseamnă existenţa la eNodB a unor mecanisme de stocare şi decontrol al fluxului, preluate de la reţeaua de bază, pentru a preveni fie pierderile de date fie

supraîncărcarea, în cazul unor variaţii bruşte de semnal, care determină un necesar mai mare deretransmisie.

În cazul în care reţelele au o structură mai uniformă, precum EPC, obţin performanţe maibune, deoarece nu mai este necesară o procesare a pachetelor în nodurile reţelei. Negocierea serealizează într-o structură mai simplă, ceea ce simplifică managementul central.

eNB si interfata X2[7]

Protocoale si Standarde

E-UTRA, E-UTRAN şi EPC sunt definite în seria 36 a specificaţiilor 3GPP, ediţia 8:

Seria 36.100 este constituită din specificaţiile pentru testarea de conformitate pentru acoperirea radio şi pentru nodul B evoluat;

Seria 36.200 se referă la specificaţiile de strat fizic; Seria 36.300 se referă la specificaţiile de strat 2 şi de strat 3 (semnalizarea la interfaţa

radio) Seria 36.400 se referă la specificaţiile de semnalizare la stratul reţea Seria 36.500 se referă !a testarea conformităţii pentru echipamentele de utilizator; Seriile 36.800 şi 36.900 sunt constituite din rapoarte tehnice, care conţin informaţiile de

bază

Cerinţele impuse interfeţei E-UTRAN şi cele pentru E-UTRA sunt conţinute de raportul tehnicTR 25 913 al 3GPP [30].

Obiectivul E-UTRA şi E-UTRAN este dezvoltarea unui cadru de evoluţie a tehnologiei deacces radio 3GPP, pentru obţinerea de viteze mari de transmisie, cu întârzieri mici şi optimizată pentrutransmisia de pachete. Pentru a se realiza aceasta a fost necesar s& se acţioneze la interfaţa radio pe maimulte direcţii şi anume:

In stratul fizic, să se construiască un mod de transmisie flexibil, pentru lărgimi de banda de pană la 20 MHz folosind noi scheme de transmisie, de modulaţie şi codare şi să se foloseasca tehnologii avansatei cu antene multiple, precum şi alte acţiuni care să îmbunătăţească modul de utilizare a acesteia.

în straturile 2 şi 3, să se realizeze optimizarea semnalizării ca şi alte acţiuni pentru imbunataţirea funcţionării.

Arhitectura UTRAN să fie optimizată şi să se realizeze o separare funcţională între nodurile reţelei RAN, fără a exclude o separare funcţională între UTRAN şi reţeaua nucleu, CN.

Structură generală protocol: Interfaţa radio dintre echipamentul utilizator (UE) şi reţea este format din trei straturi (vezi

figura): 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;

Există definite două planuri: Planul U (RLC/MAC/PHY); Planul C (RRC) - terminaţie protocol către UE;

Interfaţarea dintre eNBs şi aGW se realizează prin interfaţa S1;Funcţiile NodeB :

Toate aspectele legate de interfaţa radio; Management mobilitate descentralizat; MACşiRRM; RRC simplificat;

Funcţiile aGW (MME+UPE) : Generare paging; Management mod LTE_IDLE; Criptare plan utilizator; Compresie Header;

Stiva de protocoale pentru user[7]

Stiva de protocoale pentru control[7]

Interfata radio

Obiectivele de bază pentru noua interfaţă radio şi pentru noua reţea de acces radio, care rezultă din cerinţele impuse reţelei de acces sunt:

Creşterea semnificativă a vitezei de transmisie la viteze, de exemplu 100 Mbit/s pe sensuldescendent şi 50 Mbit/s pe sensul ascendent.

Creşterea vitezei de transmisie la marginea celulelor, cu menţinerea amplasamentelor actuale. îmbunătăţirea semnificativă a eficienţei folosirii spectrului. Reducerea întârzierii de transmisie (pe traseul interfaţă de utilizator - RNC sau nodul aflat

deasupra nodului B - interfaţă de utilizator) de 5 ms (figura 4. 1). Folosirea unei lărgimi de bandă variabile a canalului 5, 10, 20 şi posibil 15 MHz respectiv 1,25;

1,6; 2,5 MHz, pentru a avea flexibilitate şi în cazul unor lărgimi de bandă reduse. Asigurarea posibilităţii de conlucrare cu sistemele 3GPP existente şi cu cele existente non-3GPP. îmbunătăţirea serviciilor multimedia de distribuţie multiplă şi de radiodifuziune, MBMS. Reducerea cheltuielilor, CAPEX şi OPEX, incluzând şi reţeaua de fundal. Migrarea cu costuri rezonabile de la ediţia 6 pentru interfaţa radio şi arhitectură. Realizarea de terminale şi de sisteme rezonabile din punctul de vedere al costurilor, al

complexităţii şi al consumului de putere. Acceptarea de îmbunătăţiri pentru reţeaua de bază şi pentru IMS. Este necesară realizarea unei

compatibilităţi cu sistemele existente, iar negocierile referitoare la îmbunătăţirile de performanţe şi capacitate trebuie să fie analizate cu atenţie. Acceptarea eficientă a diferitelor tipuri de servicii, în special din domeniul cu comutare de pachete.

Sistemul trebuie să fie optimizat pentru viteze de deplasare reduse ale staţiei mobile, dar să accepte

viteze mari de deplasare a pentru aceasta. Modul de operarea trebuie să se realizeze atât în benzi pereche cât şi în benzi nepereche.

Să ofere posibilităţi de simplificare a coexistenţei între operatori în benzi adiacente precum şi acoexistenţei în zonele de frontieră.

Parametri LTE [7]

Deși toate sistemele 4G sunt bazate pe tehnologia OFDM, ele nu sunt identice. LTE a stabilit un set de parametri și capabilități care definesc unic de caracteristici.

Lățime de bandă: LTE este un sistem OFDMA scalabil, suporta a lărgimi de bandă de canal de 1,4, 3, 5, 10, 15, și 20 MHz.

Subpurtatoarele : subpurtatoarele LTE sunt distanțate exact la 15 kHz. Antene: LTE suporta sisteme de antene multiple cu cât mai multe patru antene de transmisie și patru

antene de receptie MIMO (4x4). Timpul unui cadru: Un singur cadru are 10ms lungime. Prefixul ciclic: Doua valori pentru CP au fost definite. Un prefix normal este de 5.2 μs pentru primul

simbol in slot si de 4.69 μs pentru simbolurile ramase, in timp ce prefixul extins este de 16.67 μs pentru toate simbolurile. Timpul pentru simbolul folosit este de 66.67μs.

Duplex: Majoritatea sistemelor LTE va folosi Frequency Division Duplexing (FDD), unde canale separate pentru uplink si downlink pot fi folosite simultan. Half-duplex FDD (H-FDD) este, de asemenea, definit, folosind perechi de canale, dar transmise alternativ , în timp ce Time Division Duplex (TDD) utilizeaza un singur canal pentru uplink si downlink.

Codare: În funcție de conținutul care trebuie trimis, codarea convoluționala sau codarea turbo pote fi utilizata pentru protejarea datelor. Codarea convolutionala adaugă mai puțina întârziere, în timp ce codarea turbo este mai robusta.

Modulatie: trei scheme de modulatie sunt folosite pentru transmisia de date. Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) foloseste doi biți pe simbol, în timp ce 16 Quadrature Amplitude Modulation (16QAM) și 64QAM transporta patru biți pe simbol și respectiv șase biți pe simbol. LTE utilizează Adaptive Modulation and Coding (AMC), pentru ajustarea ratelor de codificare și sistem de modulatie dinamic.

Acces multiplu: LTE foloseste traditional OFDMA pentru downlink, dar foloseste Single Carrier FDMA SC-FDMA) pentru uplink pentru a reduce Peak-to-Average Power Ratio (PAPR).

Performante

Obiectivul fundamental al LTE, care se reflectă în parametrii impuşi pentru interfaţa E-UTRAN este realizarea de transmisii de date de mare viteză pe ambele sensuri de transmisie. In plus, LTE se caracterizează prin reducerea timpilor de întârziere pentru transmiterea pachetelor. Performanţele impuse LTE în prima fază de implementare sunt:

Interfaţă radio îmbunătăţită. Permite transmiterea de date cu viteză mai mare. LTE prezintă o interfaţă de acces complet nouă, bazată pe tehnologia OFDM. Interfaţa radio a LTE combină shemele de modulaţie bazate pe OFDM şi cele de acces multiplu pentru sensul descendent su SC-FDMA pentru sensul ascendent.

Toate schemele OFDM împart spectrul disponibil în mii de purtătoare de bandă foarte îngustă,fiecare dintre acestea transportând o parte din semnal. în LTE eficienţa spectrală realizată de OFDM este mărită şi prin folosirea unor procedee tehnice precum:

scheme de modulaţie de ordin superior, de exemplu 64QAM; scheme sofisticate FEC; tehnici de codarea convoluţională şi turbo; tehnici complementare precum MIMO şi de formare a caracteristicii de directivitate, cu

până la patru antene pentru o staţie.

Prin folosirea acestor procedee, la interfaţa radio se obţine îmbunătăţirea semnificativă a performanţelor, ceea ce înseamnă mărirea de până la cinci ori a vitezei medii de transfer faţă de aplicarea HSPA în ediţiile anterioare. Viteza de transmisie de vârf obţinută teoretic este de maximum 300 Mbit/s pentru o bandă de 20 MHz a canalului, iar într-o bandă de 5 MHz se poate asigura teoretic funcţionarea a cel puţin 200 utilizatori activi într-o celulă.

• îmbunătăţirea performanţelor faţă de HSPA folosit în ediţiile anterioare. Performanţele obţinute de HSPA au fost realizate prin folosirea unor tehnologii precum MIMO şi a modulaţiei 64QAM.Acestea au fost introduse în ediţia 7 a 3GPP, iar combinaţia 64QAM şi MIMO pentru HSDPA (FDD) este specifică ediţiei 8 a 3GPP. LTE oferă o nouă îmbunătăţire a performanţelor generale, prin folosirea tehnologiei OFDM la interfaţa radio şi prin scheme MIMO mai complexe şi prin configurarea caracteristicilor de radiaţie ale antenelor. Capacităţile LTE vor evolua, prin specificaţiile referitoare la LTE avansat, care vor lua în considerare cerinţele formulate de LMT avansat, promovate de ITU şi care se vor afla la baza sistemelor 4G.

• Eficienţă mare a folosirii spectrului. LTE permite operatorilor să preia un număr mai mare de utilizator, cu un cost redus al transportului pe bit.

• Planificarea radio flexibilă. LTE realizează maximum de performanţă în celule cu raza de până la 5 km. Poate realiza performanţe bune în celule cu o rază de până la 30 km şi funcţionează cu limitări ale performanţelor în celule cu raza de până la 100 km.

• întârziere mică. prin reducerea timpului de transmitere în buclă (round-trip times) la 10 ms. LTE oferă un răspuns mai rapid.Aceasta permite realizarea de servicii interactive, în timp real, precum conferinţe video / audio, jocuri cu participarea mai multor jucători etc. Pentru comparaţie, acelaşi timp de propagare în buclă este de 40 50 ms în cazul HSPA.

• Un mediu integral IP. Una dintre cele mai semnificative caracteristici ale LTE este trecerea la o arhitectură simplificată a reţelei de bază, construită în întregime pe IP şi cu interfeţe deschise. 3GPP a întreprins o activitate importantă pentru conversia reţelei de bază într-un sistem integral IP. Iniţiativa a fost denumită iniţial SAE, actual fiind denumită EPC. SAE/EPC permite o folosire mai flexibilă a serviciilor şi o conlucrare mai simplă cu reţelele fixe şi cu cele mobile non-3GPP. EPC este bazat pe protocolul TCP/IP, la fel ca şi marea majoritate a reţelelor fixe actuale şi deci permite realizarea de servicii similare cu cele ale calculatoarelor, inclusiv voce, video, mesagerie, media îmbogăţit. Migrarea la arhitectura cu transmisia integral de pachete permite îmbunătăţirea conlucrării cu alte reţele de comunicaţie, fixe şi radio.

• Coexistenţa cu standardele şi sistemele existente. Utilizatorii LTE vor putea realiza apeluri vocale de la terminalele proprii şi vor avea acces la serviciile de date de bază, chiar şi atunci când evoluează în zone aflate în afara acoperirii LTE. LTE permite transferul nesesizabil al serviciului în zone acoperite HSPA, WCDMA sau GSM/GPRS/EDGE. Mai mult, LTE/SAE permite atât transferul în interiorul sistemului, între sisteme precum şi între sesiuni de comunicaţie cu comutarea circuitelor şi cu comutarea pachetelor.

• Capacitatea de reducere suplimentarii a costurilor. Existenţa unor surse multiple de echipamente precum şi autoorganizarea reţelei conduce la scăderea cheltuielilor de instalare, CAPEX şi de operare, OPEX şi deci la realizarea unui cost scăzut de transmisie pe bit.

Exemplu de calculare a vitezei in LTE

Gridul de resurse pentru downlink[8]

1 subframe=2 slots=14 symbols pe 1.0 ms subframe14*12=168 symbols.168*6=1008 biti~1Mbps pe Resource BlockPentru 5Mhz banda=25*1008=25 200=24.6 Mbps.Pentru 20Mhz banda=100*1008=98.4 Mbps~100 Mbps.2 x 2 MIMO: 201.6Mbps (150 Mbps) !!4 x 4 MIMO: 403.2Mbps (320 Mbps) !!

OFDM multiplexarea timp frecventa[8]

Acoperirea radio

Acoperirea radio

Asa cum s-a mentionat mai sus, in plus fata de furnizarea unei acoperiri „outdoor” a unei zone mult mai largi, benzile de frecvente mai joase furnizeaza de asemenea un nivel mai ridicat al semnalului in zona existenta de acoperire. Acest lucru inseamna ca este posibil sa se realizeze o mai buna calitate a serviciului la o distanta data de o statie celulara de baza cu un semnal de frecventa mai joasa decat cu cel de frecventa mai inalta. Acest lucru s-ar putea materializa, de exemplu, printr-o mai mare viteza de date disponibila sau o acoperire imbunatita in cladiri.

Acoperirea retelei de telefonie mobila trebuie sa fie definita in raport de o calitate specifica sau „adancime” a acoperirii, precum si ca procent de populatie sau zona geografica acoperita. Trebuie de asemenea raportata la un anume tip de serviciu, de exemplu servicii voce sau o viteza de date minima specificata. Din punct de vedere istoric, a existat tendinta de a specifica acoperirea pe baza receptiei exterioare cu un dispozitiv portabil, dar pe masura ce penetrarea mobila a crescut, a existat o presiune crescuta a pietei pentru furnizarea unei calitati mai mari a semnalului in vehicule si cladiri precum si pe strada.

Concluzii

În natură comunicarea are loc între diferite entităţi vii. Este cel mai larg sens care poate fiacordat conceptului de comunicare, din care decurge şi noţiunea de comunicaţie. Comunicarea umanăs-a dezvoltat în decursul istoriei, de la cele mai simple forme, până la formele complexe în care sedesfăşoară astăzi. Istoria prezintă numeroase mijloace de comunicaţie la distanţă folosite de oameni îndecursul timpului şi multe dintre ele erau deosebit de ingenioase şi de rapide în raport cu epoca în careerau folosite.

Dezvoltarea tehnologiei telecomunicaţiilor de la începuturile situate în partea a doua asecolului XIX şi până în anii 60-70 ai secolului XX se poate considera lentă, având în vedereprogresele relativ reduse ale tehnicilor şi tehnologiilor folosite, faţă de evoluţia mult acceleratărealizată în ultimii 15-20 ani. Schimbări mai semnificative ale acestora aveau loc la intervale de timpde ordinul mai multor ani. Acestea au constat în introducerea şi folosirea tehnicilor digitale deprelucrare a semnalului, miniaturizarea componentelor, folosirea circuitelor integrate pe scară largă şi,nu în ultimul rând, introducerea şi folosirea în comunicaţii a unor tehnici de programare, care aureprezentat o adevărată revoluţie pentru echipamentele şi sistemele de comunicaţie. Prin introducereatehnicilor digitale de prelucrare a semnalului a devenit posibilă „unificarea" transmisiilor vocale şi deimagini cu a celor de date, ceea ce a condus la o modificare evidentă a aspectului telecomunicaţiilor. Se evidenţiază mai multe elementele majore care au schimbat în mod esenţial aspectulcomunicaţiilor actuale:

Folosirea pe scară largă a tehnicilor digitale de prelucrare a semnalelor, ceea ce a permis ca diferite tipuri de informaţie să fie transmise cu tehnici similare;

Răspândirea pe scară mare a calculatoarelor personale, atât în zona de afaceri cât şi în domeniulprivat şi creşterea continuă a capacităţilor acestora de prelucrare şi de stocare a informaţiilor;

Crearea şi disponibilitatea pe piaţă de software care permite prelucrarea pe echipamentele decalcul a diferitelor tipuri de informaţie (voce, video, date, multimedia);

Dezvoltarea explozivă şi gradul înalt de penetrare a Internetului, care a schimbat complet modul încare utilizatorii pot să comunice şi să îşi realizeze afacerile;

Adoptarea pe scară largă a mobilităţii şi portabilităţii echipamentelor de utilizator (în unele dintreţările europene, numărul de telefoane mobile au depăşit ca număr liniile telefonice fixe).

Evoluează şi modul de folosire al reţelelor de radiodifuziune, video şi/sau audio. Ele setransformă treptat, dintr-un mediu pasiv de comunicaţie, în care informaţia este transmisă într-unsingur sens, de la reţea către utilizator, într-unui interactiv, în care utilizatorii pot interveni în anumitelimite în modul în care primesc informaţiile. Aceştia pot selecta în funcţie de conţinut programe cuplată, să intervină din punctul de vedere personal în modul de vizionare al unor spectacole, selectândcamera cu care doresc să vadă scena dintr-o anumită direcţie, să solicite date despre un program sau sătransmită e-mail-uri, să obţină unele informaţii de interes local sau general (ca preţuri ale unorproduse, date despre starea vremii, despre situaţia traficului pe şosele etc.).

LTE este un sistem wireless, de bandă largi, cu pachete comutate, bazat pe modul de adresarefolosit de Internet. Reprezintă o reţea de tip integral IP, bazat pe protocolul de baza TCP/IP alInternetului, iniţial dezvoltat pentru comunicaţii între calculatoare. în reţelele de comunicaţii, prinTCP/IP se realizează servicii de voce, video fi mesagerie. LTE este proiectat astfel încât sft realizeze

îmbunătăţiri substanţiale ale performanţelor fi să reducă semnificativ costul de transmisie pe bit,permiţând în acesat mod operatorilor să adopte un nou model de afaceri.

LTE asigură compatibilitatea cu reţele existente, atât cu cele conforme tehnologia 3GPP cât ficu cele realizate pe alte tehnologii, ceea ce asigură integrarea facilă a aplicaţiilor Internet, conducc laconvergenţa dintre sistemele fixe fi cele mobile fi facilitează realizarea unor noi tipuri de servicii. LTEreprezintă o nouă etapă în trecerea de la modelul de trafic cu circuite comutate, specific transmisiilorde voce către modelul de trafic exclusiv cu comutarea pachatelor.

Interesul pentru folosirea protocolului Internet în funcţionarea reţelelor de comunicaţii mobile,a crcscut pe măsură ce Internetul mobil a devenit din ce în ce mai solicitat, iar UMTS se bazează pe oserie de tehnologa care au evoluat către folosirea IP. Tranziţia de la reţelele existente,care combină cele două moduri, cu comutarea circuitelor şi cu comutarea pachetelor către soluţia detip integral IP, a reţelelor bazate integral pe comutarea pachetelor, conduce la simplificarea arhitecturiisistemului. Arhitectura reţelei de bază cu comutare de pachete, evoluată, denumită reţea nucleu pachetîmbunătăţită. EPC (denumită şi SAE), are în vedere realizarea unei arhitecturi uniforme (flatarchitecture). care realizează o integrare lină cu reţelele de comunicaţie bazate pe IP.

Automatizarea proceselor reţelei prin adoptarea principiilor de autoorganizare a reţelei, SON,reprezintă o caracteristică de bază a LTE. SON conţine echipamente care evaluează situaţia din mediulînconjurător şi deţine suficientă "inteligenţă" pentru a se configura în mod corespunzător şi pentru a sesincroniza cu reţelele învecinate, pe baze proprii. Introducerea tehnicilor de autoconfigurare simplificămodul de desfăşurare al unor reţele celulare de dimensiuni reduse, prin eliminarea configurărilormanuale ale echipamentelor, pe durata desfăşurării acestora. Tehnicile de autooptimizare vor permitereducerea costurilor de operare, prin optimizarea dinamică a performanţelor reţelelor radio pe duratafuncţionării acestora.

LTE oferă o nouă interfaţă radio la care reţeaua de acces este proiectată să ofere viteze de vârfmari, de până la 75 Mbit/s pe sensul ascendent şi până la 300 Mbit/s pe cel descendent, precum şitimpi de conectare mai scurţi. Soluţia tehnologică aleasă de 3GPP pentru interfaţa radio a LTEfoloseşte tehnologiile de multiplexare cu diviziune ortogonală de frecvenţă, OFDM şi MIMO,împreună cu modulaţia de viteză mare.

Pentru programarea canalului partajat de date şi pentru adaptarea rapidă a legăturii, LTEfoloseşte aceleaşi principii ca HSPA, ceea ce permite reţelei să optimizeze în mod dinamicperformanţa celulei. LTE se bazează în întregime pe canale partajate şi de radiodifuziune şi nu conţinecanale dedicate, care să transporte date pentru anumiţi utilizatori. Deoarece reţeaua nu mai asigurăniveluri fixate ale resurselor pentru fiecare utilizator, ci le atribuie în conformitate cu necesităţile realeîn timp ale serviciilor, eficienţa folosirii interfeţei radio creşte. LTE va coexista cu reţelele WCDMA şiHSPA, care vor continua să fie dezvoltate în cadrul 3GPP.

Lista acronimelor

OFDM Orthogonal Frequency Division MultiplexingOFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple AccessWCDMA Wideband Code Division Multiple AccessUMTS Universal Mobile Telecommunications SystemWCDMA Wideband Code Division Multiple AccessWLAN Wireless Local Area NetworkX2 Interface between eNBsSC-FDMA Single Carrier – Frequency Division Multiple AccessSISO Single Input Single OutputS-GW Serving GatewaySU-MIMO Single User MIMOTDD Time Division DuplexeNB E-UTRAN NodeBEDGE Enhanced Data Rates for GSM EvolutionEPC Evolved Packet CoreE-UTRA Evolved UMTS Terrestrial Radio AccessE-UTRAN Evolved UMTS Terrestrial Radio Access NetworkTD-SCDMA Time Division-Synchronous Code Division Multiple AccessTTI Transmission Time IntervalUE User EquipmentUL UplinkQAM Quadrature Amplitude ModulationQoS Quality of ServiceQ LTE Long Term EvolutionMAC Medium Access ControlMBMS Multimedia Broadcast Multicast ServiceMIMO Multiple Input Multiple Output QPSK Quadrature Phase Shift KeyingFDD Frequency Division DuplexTDD Time Division Duplex FFT Fast Fourier TransformIP Internet Protocol

Bibliografie

[1]. http://www.radioraiders.com/umts-frequency.php

[2]. http://www.radioraiders.com/25104-850.pdf

[3]. www. 3gpp .org

[4]. http://users.utcluj.ro/~dtl/STLA/Cursuri/Curs_7.pdf

[5]. Evolutia sistemelor celulare, Stefan-Victor Nicolaescu, Printech, 2010

[6]. http://lteuniversity.com/cfs-file.ashx/__key/communityserver-blogs-components-weblogfiles/00-00-00-01-22/0820.Fig_2D00_1.png

[7]. Course Mastering LTE Air Interface Course/ www.awardsolutions.com

[8]. Long Term Evolution (LTE)

[9]. http://www.freescale.com/files/wireless_comm/doc/white_paper/3GPPEVOLUTIONWP.pdf

[10].http://www.ieee.li/pdf/viewgraphs/introduction_orthogonal_frequency_division_multiplex.pdf