ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΦΥΣΙΚΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΚΑΤΕΡΧΟΜΕΝΗΣ ΖΕΥΞΗΣ (PDSCH) ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ LTE

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ Δ.Π.Μ.Σ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΦΥΣΙΚΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΚΑΤΕΡΧΟΜΕΝΗΣ ΖΕΥΞΗΣ (PDSCH) ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ LTE Φοιτήτρια: Μπουργάνη Ευαγγελία Επιβλέποντες καθηγητές: Οικονόμου Γεώργιος Λούβρος Σπυρίδων Πάτρα 2011

Περιεχόμενα Εισαγωγή... 5 Introduction... 6 ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΞΗ... 7 1.1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ... 7 1.2 3rd Generation and Long Term Evolution... 10 1.3 ΣΥΜΒΑΤΟΤΗΤΑ... 12 1.4 LTE 3.9G- ΓΙΑΤΙ ΟΧΙ 4G?... 15 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ LTE... 17 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 17 2.2 ΡΑΔΙΟ-ΔΙΕΠΑΦΗ... 19 2.2.1 RADIO RESOURCE CONTROL (RRC)... 21 2.2.2 PACKET DATA CONERGENCE PROTOCOL (PDCP)... 22 2.2.3 RADIO LINK CONTROL (RLC)... 22 2.2.4 MEDIUM ACCESS CONTROL (MAC)... 23 2.2.5 ΦΥΣΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ... 25 2.3 H ΔΙΕΠΑΦΗ S1... 25 2.3.1 GPRS Tunnelling Protocol για το πεδίο χρήστη... 25 2.4 ΔΟΜΗ ΚΑΝΑΛΙΟΥ... 26 2.4.1 ΛΟΓΙΚΑ ΚΑΝΑΛΙΑ... 26 2.4.2 ΚΑΝΑΛΙΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ... 27 2.4.2 ΦΥΣΙΚΑ ΚΑΝΑΛΙΑ... 28 2.5 ΣΥΧΝΟΤΙΚΕΣ ΜΠΑΝΤΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ... 30 OFDMA ΚΑΙ SC-FDMA ΤΟΥ LTE... 33 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 33 3.2 ΙΣΤΟΡΙΚΟ LTE ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ... 33 3.3 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ OFDMA... 36 3.3.1 ΒΑΣΙΚΗ ΑΡΧΗ ΟΡΘΟΓΩΝΙΟΤΗΤΑΣ... 40 3.3.2 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ... 43 MIMO ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΣΕ 3GPP... 45 4.1 MIMO... 45 4.2 DOWNLINK SU-MIMO ΣΤΗΝ LTE ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ... 46

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1- ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΞΗ 4.3 TRANSMIT DIVERSITY ΣΤΗΝ LTE ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ... 49 4.4 CLOSED-LOOP RANK-1 ΠΡΟΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ ΣΤO LTE... 51 4.5 MU-MIMO ΣΤΟ LTE... 51 4.6 ΑΦΙΕΡΩΜΕΝΟ BEAMFORMING ΚΑΤΕΡΧΟΜΕΝΗΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΣΤΟ LTE... 52 4.7 ΑΝΑΔΡΑΣΗ ΑΝΕΡΧΟΜΕΝΗΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΣΤΟ LTE... 52 4.8 MIMO ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΟ LTE-Advanced... 55 PHYSICAL LAYER-PHYSICAL DOWNLINK SHARED CHANNEL(PDSCH)... 57 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 57 5.2 ΓΕΝΙΚΗ ΔΟΜΗ ΠΛΑΙΣΙΟΥ... 57 5.3 ΦΥΣΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΤΟΥ LTE ΓΙΑ ΚΑΤΕΡΧΟΜΕΝΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ... 59 5.3.1 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ... 59 5.3.2 DOWNLINK PHYSICAL RESOURCE... 60 5.3.3. ΦΥΣΙΚΑ ΚΑΝΑΛΙΑ ΓΙΑ ΚΑΤΕΡΧΟΜΕΝΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ... 61 5.3.4. ΦΥΣΙΚΑ ΣΗΜΑΤΑ ΓΙΑ ΚΑΤΕΡΧΟΜΕΝΗ LTE ΜΕΤΑΔΟΣΗ... 61 5.3.5. ΣΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΓΙΑ ΚΑΤΕΡΧΟΜΕΝΗ LTE ΜΕΤΑΔΟΣΗ... 63 5.3.6 ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗ ΤΩΝ ΚΑΤΕΡΧΟΜΕΝΩΝ ΚΑΝΑΛΙΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΤΑ ΚΑΤΕΡΧΟΜΕΝΑ ΦΥΣΙΚΑ ΚΑΝΑΛΙΑ... 63 5.4 ΤΟ ΚΑΤΕΡΧΟΜΕΝΟ ΦΥΣΙΚΟ ΚΑΝΑΛΙ PDSCH... 63 5.4.1 ΓΕΝΙΚΑ... 63 5.4.2 ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΠΟΥ ΕΚΤΕΛΟΥΝΤΑΙ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΚΑΤΕΡΧΟΜΕΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΣΤΟ PDSCH... 64 5.5 Η ΕΝΝΟΙΑ ΤΗΣ ΠΡΟΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗΣ... 81 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ... 86 6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 86 6.2 Η ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ... 86 6.3 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕ ΧΡΗΣΗ AWGN ΚΑΝΑΛΙΟΥ... 87 6.4 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΑΣΤΕΡΙΣΜΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ FLAT RAYLEIGH ΚΑΝΑΛΙΟΥ... 106 6.5 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΑΣΤΕΡΙΣΜΟΥ ΓΙΑ FREQUENCY-SELECTIVE RAYLEIGH CHANNEL... 115 6.6 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 126 Βιβλιογραφία... 128 4

Εισαγωγή Τα Long Term Evolution (LTE) δίκτυα αποτελούν το πιο πρόσφατο πρότυπο στην τεχνολογία της ιεραρχίας των κινητών δικτύων (GSM/EDGE και UMTS/HSPA τεχνολογίες δικτύων). Οι απαιτήσεις για γρήγορη κινητή, ευρυζωνική πρόσβαση αυξάνει εκθετικά τις τελευταίες δεκαετίες και αναμένεται μεγαλύτερη ακόμα ανάπτυξη στο μέλλον, το οποίο απαιτεί απεριόριστες δυνατότητες σε υπηρεσίες και εφαρμογές διαδικτύου και ανάπτυξη σε συσκευές χειρός και κινητούς εξοπλισμούς. Για να επιτευχθούν αυτές οι απαιτήσεις για μεγάλους ρυθμούς δεδομένων στα κινητά δίκτυα, η International Telecommunication Union (ITU) όρισε τα αρχικά επίπεδα για την εξέλιξη των 4 ης γενιάς δικτύων. Στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής εργασίας στόχος είναι η υλοποίηση του φυσικού κατερχόμενου καναλιού Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) του Long Term Evolution (LTE), ενός φυσικού καναλιού μεταφοράς δεδομένων (κάνει τη μετάδοση του DL-SCH καναλιού μεταφοράς). Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια αναδρομή στην εξέλιξη των δικτύων μέχρι να φτάσουμε στην σημερινή εποχή και το LTE. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η αρχιτεκτονική που ακολουθεί το LTE. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις βασικές αρχές που διέπουν το OFDMA, της τεχνικής διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται στην κατερχόμενη μετάδοση. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφονται οι MIMO τεχνολογίες, ενώ στο πέμπτο περιγράφεται αναλυτικά το συγκεκριμένο κανάλι και τέλος στο έκτο κεφάλαιο παρατίθενται τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα.

Introduction LTE Networks is the latest standard in mobile networks technologies hierarchy (GSM/EDGE and UMTS/HSPA). The requirements (?demands?) for fast mobile, broadband access increases exponentially during the last decades and even larger and even more significant development is expected in the future, which (future) is guided from the unlimited features in services and internet applications and from the development of mobile equipment and portable devices).to fulfill these demands for the large data rates in mobile networks, International Telecommunication Union (ITU) defined those primal levels for 4 th Generation Networks evolution. The purpose of this thesis is the implementation of LTE s Physical Downlink Shared Channel (PDSCH), a physical channel for data transfer. In the first chapter a recursion is made through the development of networks and up to current technologies and LTE. In chapter two LTE architectures are described. In chapter three, basic OFDMA principles are described, which is the modulation method used in downlink transmission. In chapter four MIMO technologies are described while in the fifth chapter the particular channel is described in depth. Finally in chapter six are laid down the results and conclusions.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΞΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΞΗ 1.1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Ο όρος γενιά (generation), όταν χρησιμοποιείται σχετικά με την εξέλιξη των κυψελωτών δικτύων είναι μερικές φορές παραπλανητικός και όχι πάντα ακριβής. Παρόλα αυτά, πολλοί συχνά αναφέρονται σε 2G, 3G ακόμη και σε 4G όταν πρόκειται για διαφορετικές γενιές κινητών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Η ιστορική περίληψη που ακολουθεί βασίζεται σε συνηθισμένους και ανεπίσημους όρους της κινητής βιομηχανίας, μέσων και τύπου. Η πρώτη γενιά (1G) των σύγχρονων κυψελωτών δικτύων περιλαμβάνει για παράδειγμα τα: NMT (Nordic Mobile Telephony), AMPS (Advanced Mobile Phone Service) και TACS (Total Access Communication System). Όλα αυτά τα συστήματα έχουν κοινό την επικοινωνία των χρηστών, το οποίο είναι φωνή που μεταφέρεται με αναλογικές FDMA (Frequency Division Multiple Access) ράδιο τεχνικές. Η NMT αναπτύχθηκε τη δεκαετία του εβδομήντα και προωθήθηκε το 1981. Η δεύτερη γενιά (2G) περιλαμβάνει συστήματα όπως τα GSM (Global System for Mobile communications), D-AMPS (Dual-mode AMPS), PDC (Personal Digital Communications) και IS-95. Το νέο με αυτά τα συστήματα ήταν ότι υποστήριζαν επικοινωνία φωνής και δεδομένων με ράδιο τεχνικές ψηφιακής μεταγωγής κυκλώματος TDMA (Time Division Multiple Access) ή CDMA (Code Division Multiple Access). Το πρότυπο GSM ξεκίνησε το 1982 και προωθήθηκε το 1991. Βελτιώσεις της 2G, όπως η εισαγωγή πακέτων δεδομένων GPRS (General Packet 7

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΞΗ Radio Service), συχνά αναφέρεται ως 2.5G. Επιπλέον βελτιώσεις, όπως η EDGE (Enhanced Data rates για GSM και TDMA Evolution), αναφέρεται ως 2.75G. Το 1986, η ITU (International Telecommunication Union) ξεκίνησε να επεξεργάζεται το πρότυπο IMT-2000, το οποίο είναι κατευθυντήριο για κάθε πρότυπο τρίτης γενιάς (Third Generation 3G). Το 1992, η World Administrative Radio Conference (WARC) θεώρησε τις μπάντες ραδιοσυχνοτήτων 1885-2025 και 2110-2200 MHz ως παγκόσμιο φάσμα για τα 3G συστήματα. Τον Ιανουάριο του 1998, η European Telecommunications Standards Institute (ETSI) έφτασε σε συμφωνία όπου επιλέχθηκαν τα WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) και TD-CDMA (Time Division- Code Division Multiple Access) ως μέθοδοι πολλαπλής πρόσβασης για τις καταστάσεις αμφίδρομη διαίρεση συχνότητας FDD (Frequency Division Duplex) και αμφίδρομη διαίρεση χρόνου TDD (Time Division Duplex) της UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), αντίστοιχα. O όρος UMTS χρησιμοποιείται στην Ευρώπη για τα 3G συστήματα. Τα 3G προωθήθηκαν εμπορικά το 2001 στην Ιαπωνία και το 2003 στην Ευρώπη. Η παρακάτω εικόνα 1 συνοψίζει εν συντομία την ιστορία των κυψελωτών τεχνολογιών Εικόνα 1.1: Χρονολογική Αναδρομή Η 3 rd Generation Partnership Project (3GPP) είναι μια συμφωνία συνεργασίας που ιδρύθηκε το 1998. Η συμφωνία συνεργασίας έφερε μαζί έναν αριθμό από τηλεπικοινωνιακά πρότυπα, όπως τα ARIB, CCSA, ETSI, TTA και TTC. 8

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΞΗ Το βασικό αντικείμενο της 3GPP ήταν να παράγει εφαρμόσιμες Τεχνικές Ειδικεύσεις και Τεχνικές Αναφορές για τα κινητά συστήματα 3 ης γενιάς, τα οποία βασίζονται στα εξελιγμένα GSM δίκτυα πυρήνα και στις τεχνολογίες ασύρματης πρόσβασης που υποστηρίζουν (π.χ., Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) για καταστάσεις Frequency Division Duplex (FDD) και Time Division Duplex (TDD)). Το πλαίσιο τροποποιήθηκε έπειτα, για να συμπεριλάβει τη συντήρηση, την ανάπτυξη του Παγκόσμιου συστήματος για κινητές επικοινωνίες (GSM), τις τεχνικές ειδικεύσεις και τις τεχνικές αναφορές συμπεριλαμβανομένου των τεχνολογιών ασύρματης πρόσβασης (π.χ. General Packet Radio Service (GPRS) και Enhanced Data rates για GSM Evolution (EDGE)). Η πρώτη πρακτικά εφαρμόσιμη ειδίκευση 3GPP για την WCDMA εκδόθηκε και έμεινε το 1999 και καλείται Release 99. Η έκδοση WCDMA Release 99 υποστηρίζει επικοινωνία με μεταγωγή κυκλώματος (circuit switched (CS)) και μεταγωγή πακέτου (packet switched (PS)) μέχρι ενός θεωρητικού ρυθμού 2Mbps. Η εξέλιξη σε 3G καλείται HSDPA (High Speed Downlink Packet Access,ορίζεται στην έκδοση (Release 5) - 2002) και HSUPA (High Speed Uplink Packet Access, ορίζεται στη έκδοση ( Release 6) 2004) και αυξάνει το μέγιστο κατερχόμενο ρυθμό μετάδοσης στα 14Mbps και τον ρυθμό ανερχόμενης μετάδοσης (uplink) στο μέγιστο 5.76 Mbps.Τα HSDPA και HSUPA αναφέρονται ως HSPA (High Speed Packet Access). Το HSUPA καλείται επίσης EUL (Enhanced Uplink). Το επόμενο βήμα για την WCDMA καλείται HSPA evolution ή HSPA+, ορίζεται στην έκδοση 7 και 8 και σκοπεύει να μεγιστοποιήσει τους ρυθμούς μετάδοσης ακόμη περισσότερο (μέχρι 42Mbps στο DL) Αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας για παράδειγμα κεραίες MIMO (Multiple Input Multiple Output) και μεγαλύτερης τάξης διαμόρφωση (Higher Order Modulation(HOM)). Εικόνα 1.2: Η βελτίωση του LTE σε ένα ευρύ φάσμα κατανομής φάσματος Το Σεπτέμβρη του 2007 η οικογένεια της 3GPP επεκτάθηκε με ακόμα ένα μέλος, την Evolved UTRAN(E-UTRAN). Η εργασία για την δημιουργία της ιδέας ξεκίνησε, επίσημα το καλοκαίρι του 2006 όταν η φάση της μελέτης ολοκληρώθηκε επιτυχώς και το αποτέλεσμα της οδήγησε τη 3GPP 3G Long Term Evolution-Evolved Packet System RAN (LTE) να ξεκινήσει. Πάνω από 50 εταιρείες και ινστιτούτα έρευνας πήραν μέρος στην μεγαλύτερη προσπάθεια ένωσης προτύπων για να οριστεί η νέα 9

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΞΗ παγκόσμια ασύρματη πρόσβαση και η τεχνολογία του εξελισσόμενου πυρήνα δικτύου. Η ανάπτυξη προτύπου της 3GPP ομαδοποιήθηκε σε δύο αντικείμενα εργασίας, όπου το Long Term Evolution (LTE) στοχεύει στην εξέλιξη του ασύρματου δικτύου και το System Architecture Evolution (SAE) στοχεύει στην εξέλιξη δικτύου πυρήνα πακέτου. Το κοινό μεταξύ LTE και SAE είναι ότι μόνο ένα πεδίο Μεταγωγής Πακέτου (Packet Switched) θα οριστεί. Το αποτέλεσμα αυτών των εργασιών είναι το Evolved UTRAN (E-UTRAN) και το Evolved Packet Core (EPC). Αυτά τα δύο μαζί (E-UTRAN+EPC) δημιουργούν το Evolved Packet System (EPS). LTE/ SAE ορίζεται στην release 8 της 3GPP. Σημειώστε ότι το LTE και SAE αναφέρονται σε αντικείμενα εργασίας στην 3GPP. Το ακριβές όνομα του Radio Access Network (RAN) είναι E-UTRAN και του πυρήνα δικτύου (Core Network-CN) είναι EPC. Επίσης, ένα παράλληλο Partnership Project σταθεροποιήθηκε το -"3GPP2," το οποίο είναι αρκετά όμοιο με το 3GPP και τυποποιεί επίσης δίκτυα της International Telecommunication Union's (ITU) International Mobile Telecommunications "IMT- 2000". Το 3GPP2 επικεντρώνεται στην εξέλιξη του cdmaone με cdma2000 και EV- DO(HRPD) ενώ το 3GPP επικεντρώνεται στην εξέλιξη των GSM, WCDMA, HSPA και LTE. Το 3GPP2 διαχωρίζεται σε τέσσερις ομάδες τεχνικών ειδικεύσεων που αποτελούνται από τις εταιρίες των μελών Project's Individual Member. Τα TSGs είναι: - TSG-A for Access Network Interfaces - TSG-C for cdma2000 - TSG-S Services and Systems Aspects - TSG-X Core Networks Εικόνα 1.3: Εξέλιξη Κινητού Συστήματος 1.2 3rd Generation and Long Term Evolution H κινητή ευρυζωνικότητα, λοιπόν, γίνεται πραγματικότητα με τις τρίτης γενιάς τεχνολογίες (3G): υπολογίζεται πως από τους 1.8 δισεκατομμύρια ανθρώπους που θα εξυπηρετούνται από ευρυζωνικά δίκτυα από το 2012, τα 2/3 θα είναι πελάτες κινητής ευρυζωνικότητας. Κατά τη διάρκεια των Future Workshop RAN (Radio Access Networks), σημειώνεται ότι η 3G long term evolution πρέπει να ικανοποιεί τις μελλοντικές απαιτήσεις 10

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΞΗ υπηρεσιών, με τη δέσμευση να παραμένει ανταγωνιστικό για ένα μεγάλο χρονικό πλαίσιο, δηλαδή με το πέρασμα των δεκαετιών. Η χρήση νέων τεχνολογιών, όπως Ορθογώνια Συχνοτική Πολύπλεξη (Orthogonal Frequency Division Multiplexing- OFDM) με ευέλικτη και ευρύτερη ραδιο συχνότητα (Radio Frequency RF), που συνδέονται με την ενίσχυση και την αρχιτεκτονική του δικτύου Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) και της ραδιο διεπαφής UTRA, είναι υποψήφιες για την πραγματοποίηση αυτού του σκοπού. Οι κύριες αιτίες για αυτή την εξέλιξη οφείλονται στη συνεχή αύξηση της χρήσης των πελατών των νέων και μεγάλης κίνησης υπηρεσιών: μπορούν ήδη να σερφάρουν στο διαδίκτυο, να διαχειρίζονται τα email τους, να στέλνουν και να λαμβάνουν οπτικοακουστικό περιεχόμενο με ενεργοποιημένες High Speed Data Access (HSPA) συσκευές, όπως smart-phones, PDAs, notebook, dongles, καθώς επίσης να χρησιμοποιούν όλο και περισσότερες υπηρεσίες με υψηλότερο ρυθμό δεδομένων, χαμηλή καθυστέρηση και διαθεσιμότητα να. Μερικά από τα σημαντικά σημεία ήταν για την LTE τεχνολογία είναι: Σημαντική αύξηση του μέγιστου ρυθμού δεδομένων π.χ. 100Mbps(downlink) και 50 Mbps (uplink) Αύξηση του «ακραίου ρυθμού bit κυττάρου» ενώ διατηρούνται οι θέσεις τους όπως αναπτύσσεται σήμερα. Εικόνα 1.4: 3GPP schedule για τις συνήθεις συνθήκες και εργασίες Σημαντική αύξηση της απόδοσης φάσματος (π.χ. 2-4x Rel6 HSPA) Δυνατότητα για καθυστέρηση ασύρματης πρόσβασης δικτύου (στο χρήστη UE-RNC(ή ο αντίστοιχος κόμβος Node B)- UE) λιγότερο από 10ms. Σημαντική μείωση της καθυστέρησης στο πεδίο ελέγχου Κλιμακούμενο εύρος ζώνης (1.4, 3, 5, 10, 15 και 20 MHz) Να υποστηρίζεται η εσωτερική λειτουργία και των υπαρχόντων 3G συστημάτων και των μη 3GPP ορισμένων συστημάτων. Ενισχυμένα επιπλέον MBMS Λιγότερα έξοδα (CAPEX και OPEX) συμπεριλαμβανομένου της διαδρομής επιστροφής. Αποδοτικό κόστος μεταφοράς από τη ραδιο διεπαφή και την αρχιτεκτονική του Rel-6 UTRA Λογικό σύστημα και πολυπλοκότητα, (ανάλογο κόστος και κατανάλωση ενέργειας τερματικού σταθμού) Στήριξη επιπλέον ενισχυμένης IMS και core δικτύου Συμβατικότητα με παλαιότερα, αλλά με συγκεκριμένη ανταλλαγή λειτουργίας και/ή ενίσχυση δυνατοτήτων. 11

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΞΗ Αποδοτική στήριξη των διαφόρων τύπων υπηρεσιών και ειδικότερα στο πεδίο μεταγωγής πακέτου (PS),πχ Voice over IP, Presence. Βελτιστοποίηση συστήματος για χαμηλή κινητική ταχύτητα αλλά επίσης στήριξη και υψηλής κινητής ταχύτητας. Λειτουργία κατά ζεύγη (paired) και άζευκτων (unpaired) φασμάτων που δεν συμπεριλαμβανόταν προηγουμένως. Δυνατότητα για απλοποιημένη συνύπαρξη μεταξύ τελεστών και γειτονικών μπαντών καθώς επίσης και συνύπαρξη διασταυρωμένων ζωνών. Τα αποτελέσματα ικανοποιούν πλήρως και σε μερικές περιπτώσεις κάποιους από τους προτεινόμενους στόχους, κυρίως στο ρυθμό δεδομένων, στη διεκπαιραιώτητα και στην αποδοτικότητα φάσματος. 1.3 ΣΥΜΒΑΤΟΤΗΤΑ Πολλές προδιαγραφές για LTE αρχιτεκτονικές και τεχνολογίες έχουν μελετηθεί για να είναι συμβατά με ένα μεγάλο σύνολο περιπτώσεων: Αυτοδύναμα σενάρια εργασίας (Standalone deployment scenarios), στο οποίο οι τελεστές αναπτύσσουν το E-UTRAN σε περιοχές χωρίς προηγούμενο δίκτυο ή για συγκεκριμένες περιπτώσεις όπου η κάλυψη δεν απαιτεί διαδίκτυο σύμφωνο με το υπάρχων UTRAN/GSM EDGE Radio Access Network (GERAN). Ενσωμάτωση με το υπάρχων UTRAN και/ή σε περιπτώσεις GERAN δικτύων με οποιοδήποτε επίπεδο κάλυψης. Οι αντικειμενικοί στόχοι του E-UTRAN περιλαμβάνουν την ευκολία διαχείρισης των νέων τεχνολογιών στις προηγούμενα περιγραφόμενες περιπτώσεις, υποστηρίζοντας διαμοιραζόμενα δίκτυα, υψηλές ταχύτητες και ύπαρξη πολλών κινητών με μικρή καθυστέρηση και χαμηλή απώλεια δεδομένων, διάφορα μεγέθη κυττάρων και διάφορα ασύρματα περιβάλλοντα, υποστήριξη και συνεργασία με τα προϋπάρχοντα συστήματα καθώς και απόδοση. Το πρότυπο του LTE περιλαμβάνει διαδικασίες που έχουν οριστεί σε προδιαγραφές όσον αφορά την απόδοση σε ραδιο διεπαφές και σε αρχιτεκτονική δικτύου. 12

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΞΗ Εικόνα 1.5: Επίπεδα E-UTRA/E-UTRAN και οι αντίστοιχες προδιαγραφές Τα παραπάνω περιγράφονται στον πίνακα 1. Οι διαμορφώσεις OFDMA και SC- FDMA επιτρέπουν ευέλικτο εύρος ζώνης, και στις δύο περιπτώσεις: πολύπλεξη διαίρεσης συχνότητας (FDD) και πολύπλεξη διαίρεσης χρόνου (TDD). Η υπηρεσία βελτιστοποιείται για χαμηλή ταχύτητα μέχρι 15Km/h, παρόλα αυτά ταχύτητες μέχρι 350Km/h υποστηρίζονται με μείωση της απόδοσης. Οι μέγιστοι ρυθμοί δεδομένων είναι 326Mb/s με 4x4 διάταξη κεραιών (Multiple Input Multiple Output- ΜΙΜΟ), χρησιμοποιώντας 20MHz εύρος ζώνης παρέχοντας απόδοση φάσματος κυττάρου τέσσερις φορές υψηλότερη σε σχέση με αυτή του συστήματος του Rel-6 HSPA. Η καθυστέρηση μετάδοσης βελτιώνεται επίσης σε τιμές μικρότερες των 10ms. Το LTE συναντά τις απαιτήσεις του International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000) και επομένως είναι μέρος της οικογένειας προτύπων IMT-2000. Πίνακας 1 : Προδιαγραφές LTE air interface Η εικόνα 1.6 απεικονίζει την προτεινόμενη E-UTRAN αρχιτεκτονική σε blocks για τα πεδία ελέγχου και χρήστη. Εικόνα 1.6: E-UTRAN αρχιτεκτονική με τα πεδία ελέγχου και χρήστη 13

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΞΗ Μαζί με την νέα αρχιτεκτονική ραδιο διεπαφής προτυποποιείται και μια εξέλιξη του δικτύου πυρήνα πακέτου (packet core) (εικόνα 1.7). Ο βασικός στόχος είναι η δημιουργία ενός επίπεδου δικτύου που να βασίζεται στο πρωτόκολλο του Internet, με χαμηλό επίπεδο πολυπλοκότητας. Αυτή η νέα αρχιτεκτονική αναφέρεται ως System Architecture Evaluation (SAE) και αντιπροσωπεύει μια ανάπτυξη των υπαρχόντων GSΜ/Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) δικτύων πυρήνα, σχεδιασμένη για να υποστηρίζει μεγάλη χρήση των υπηρεσιών βασιζόμενων στο IP με πιο αποδοτική ανάπτυξη και βελτιστοποίηση της συμπεριφοράς του δικτύου. Η αρχιτεκτονική SAE περιγράφει δύο μόνο τύπους κόμβων, τον LTE σταθμό βάσης E- UTRAN NodeB (enodeb) και την Πύλη SAE(SAE Gateway): η σύνδεση μεταξύ του enodeb και του Core Network γίνεται με την S1 διεπαφή. Εικόνα 1.7: LTE και SAE αρχιτεκτονική Επίσης, στην αρχιτεκτονική του πυρήνα δικτύου, η 3GPP κάνει προσπάθειες να δημιουργήσει ένα δίκτυο συμβατό με τα υπάρχοντα, καταλήγοντας στη σύνδεση των συστημάτων GSM, WCDMA, HSPA,CDMA2000 1xRTT, EV-DO με τη SAE, μέσω των ορισμένων και προτυποποιημένων διεπαφών. Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα είναι η δυνατότητα της για διπλή και μονή ασύρματη μεταπομπή, επιτρέποντας την συνύπαρξη και την εύκολη μετανάστευση από τα υπάρχοντα συστήματα. Στην εικόνα 1.8 απεικονίζεται η επικοινωνία μεταξύ των τεχνολογιών: 14

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΞΗ Εικόνα 1.8: Δυνατότητες LTE Άλλοι πραγματοποιημένοι στόχοι είναι : Η απόδοση Σηματοδοσίας Ελέγχου, η οποία επιτυγχάνεται δημιουργώντας ένα ξεχωριστό σύστημα, το Mobility Management Entity- MME, για να το διαχειριστεί βελτιώνοντας τις ικανότητες κλιμακούμενης χωρητικότητας. Η σηματοδοσία που βασίζεται στο IP και η ανάθεση, αποκτάται εγκαταλείποντας το σύστημα σηματοδοσίας 7(SS7) του GSM και του WCDMA, λόγω του Diameter. Η ποιότητα σήματος που βασίζεται σε κλάσεις (Class- based QoS) η οποία είναι εκμεταλλεύσιμη από τους τελεστές, για να προσφέρει διαφορικές τοπολογίες βασισμένων σε υπηρεσίες βασισμένες σε πακέτα (packet-based), με εγγυημένο ρυθμό bit (Guarantee Bit Rate (GBR)). 1.4 LTE 3.9G- ΓΙΑΤΙ ΟΧΙ 4G? Η ITU έχει ορίσει την IMT Advanced, η οποία είναι η ακόλουθη της IMT2000. Η IMT Advanced θεωρείται ως 4G και ότι θεωρητικά υποστηρίζει ρυθμούς δεδομένων (bitrates) μέχρι περίπου 1Gbit/s και θα αναπτυχθεί με την έκδοση (10 Release 10) του LTE (αναφέρεται και ως LTE Advanced). Η LTE Release 10 ίσως πραγματοποιήσει τις απαιτήσεις IMT Advanced. Η LTE Release 10 θα καλείται απλά LTE έκδοσης 10, αφού έχει κτιστεί στις ίδιες λύσεις με την LTE τεχνολογία της έκδοσης 8, αλλά με κάποια επιπλέον χαρακτηριστικά όπως ταυτόχρονη επικοινωνία σε διαφορετικούς σταθμούς βάσης και συσσώρευσης φάσματος. Η EPS στην έκδοση 8 βασίζεται σε μια απλοποιημένη αρχιτεκτονική δικτύου σε σύγκριση με αυτή της έκδοσης 6. Ο αριθμός των κόμβων στο πεδίο τoυ χρήστη μειώνεται από τέσσερις που ήταν στην έκδοση 6 (NodeB, RNC, SGSN και GGSN) σε μόνο δύο (e-nodeb and S-GW) στην EPS. Η LTE ορίζεται μόνο σε ένα πεδίο Μεταγωγής Πακέτου (Packet Switched-PS). Αυτό σημαίνει ότι οι παραδοσιακές υπηρεσίες της Μεταγωγής Κυκλώματος (Circuit Switched) θα εκτελούνται με Μεταγωγή Πακέτου. 15

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΞΗ 16

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ LTE 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η εικόνα 2.1 παρέχει μια άποψη του υψηλού επιπέδου της αρχιτεκτονικής. Η αρχιτεκτονική του LTE είναι επίπεδη όπως φαίνεται και από την εικόνα. Παρόμοια με την αρχιτεκτονική των τεχνολογιών HSDPA και HSUPA, οι σταθμοί βάσης γίνονται πιο έξυπνοι. Οι ραδιο σχετικές λειτουργικότητες τοποθετούνται όλες στο σταθμό βάσης, σε σύγκριση με το HSDPA/HSUPA που οι λειτουργίες είναι στο Radio Link Control (RLC) Layer, Radio Resource Control (RRC) και Packet Data Convergence Protocol (PDCP). Εικόνα 2-1: Γενική E-UTRAN αρχιτεκτονική 17

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2- ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ LTE Η Evolved-UTRAN (E-UTRAN) αποτελείται από ένα μόνο στοιχείο, τον εξελιγμένο κόμβο, evolved Node B(eNB), ο οποίος έχει όλες τις συναρτήσεις για το RRM, όπως τον radio bearer έλεγχο, τον έλεγχο ραδιο εισόδου (radio admission), τον έλεγχο της διασυνδεδεμένης κινητικότητας και το δυναμικό καταμερισμό των στοιχείων (scheduling). Οι enbs διασυνδέονται μεταξύ τους μέσω της διεπαφής X2. Θεωρείται ότι υπάρχει πάντα μια X2 διεπαφή μεταξύ των enbs που απαιτείται επικοινωνία μεταξύ τους, όπως για παράδειγμα σε περιπτώσεις μεταπομπής (handover). Συνδεδεμένα με τους enbs, μέσω της S1 διεπαφής, είναι το Evolved Packet Core (EPC). Το EPC αποτελείται από : Mobility Management Entity, Serving Gateway (S- GW) και Packet Data Network (PDN) Gateway (P-GW). Η διεπαφή μεταξύ του πυρήνα δικτύου και του ραδιο δικτύου, ορίζει με ποιο τρόπο μπορεί η εφαρμογή στην πλευρά του πυρήνα δικτύου να εφαρμοστεί με τον έλεγχο (S1_MME) και την διαδικασία κίνησης του πεδίου χρήστη (S1_UE) για διαφορετικά φυσικά στοιχεία. Η διεπαφή S1 υποστηρίζει άρρηκτη σχέση μεταξύ των MMEs/S-GWs και enbs. Οι διεπαφές P-GW και S-GW ορίστηκαν για επεξεργασία δεδομένων στο πεδίο του χρήστη. Διαχειρίζονται διαδικασίες σχετικές με τον χειρισμό της κινητικότητας (mobility management) μέσα στο LTE δίκτυο, καθώς επίσης και μεταξύ άλλων 3GPP ραδιο τεχνολογιών, για συμπίεση IP κεφαλίδας και κρυπτογράφηση των ροών (streams) δεδομένων του χρήστη και τερματισμό των πακέτων για λόγους σελιδοποίησης στο πεδίο του χρήστη. Το MME χειρίζεται τη σηματοδοσία ελέγχου και ειδικά τη διαχείριση της κινητικότητας (mobility management) και την ανενεργή (idle) κατάσταση διανέμοντας τα σελιδοποιημένα μηνύματα στους enbs. Η λειτουργική διαίρεση μεταξύ του E-UTRAN και του EPC περιγράφεται στην εικόνα 2-2. Οι λειτουργικότητες του UMTS RNC διαιρέθηκαν μεταξύ του σταθμού βάσης και της S-GW διεπαφής, η οποία έχει επίσης τις λειτουργίες του SGSN. Η P- GW είναι παρόμοια με τις GGSN και MME του HLR και VLR του UMTS. Εικόνα 2-2: Διαχωρισμός λειτουργίων στο E-UTRAN και EPC.

2.2 ΡΑΔΙΟ-ΔΙΕΠΑΦΗ Η ραδιο- διεπαφή στην LTE τεχνολογία αναπτύχθηκε σύμφωνα με τις απαιτήσεις για ευελιξία φάσματος, απόδοση φάσματος, κόστος αποτελεσματικότητας κ.τ.λ. Η ευρωστία έναντι της χρονικής διασποράς έχει επηρεάσει την επιλογή της τεχνικής μετάδοσης σε UL και DL. Η ευελιξία φάσματος ενσωματώνει την πιθανότητα να χρησιμοποιηθούν και τα δύο φάσματα, σε ζεύγη και άζευκτα (paired και unpaired), δηλαδή το LTE πρέπει να ενσωματώνει και τις δύο αμφίδρομες διατάξεις που βασίζονται στην FDD και TDD, αντίστοιχα. Επίσης, η δυνατότητα για λειτουργία σε έξι διαφορετικά εύρη ζώνης, 1.4, 3, 5, 10, 15, και 20 MHz, παίζει έναν σημαντικό ρόλο όσον αφορά την ευελιξία φάσματος για την προτυποποίηση της ραδιο διεπαφής. Στην πραγματικότητα, η εφαρμογή της ραδιο διεπαφής στην LTE τεχνολογία, δίνει τη δυνατότητα λειτουργίας σε οποιοδήποτε εύρος ζώνης μεταξύ 1.4 και 20 MHz με βήματα του ενός block, το οποίο αντιστοιχεί σε 12 υποφορείς ή 180kHz. Μια μεγάλη αποδοτικότητα φάσματος επιτυγχάνεται με την χρήση διατάξεων υψηλότερης τάξης, όπως 16-QAM και 64-QAM και ανεπτυγμένες λύσεις κεραιών, συμπεριλαμβανομένου ποικιλίας πομπού και δέκτη, κατευθυντή ακτινοβολίας και χωρικής πολύπλεξης. Επιπλέον, η διασυμβολική παρεμβολή (ISI) μειώνεται με την επιλογή της OFDMΑ για DL και την SC-FDMA για UL. Και οι δύο αυτές μέθοδοι καταλήγουν σε ένα μεγάλο χρονικά σύμβολο και έτσι μειώνεται η διασυμβολική παρεμβολή, το οποίο σύμβολο αυξάνει την παρουσία του σε ασύρματα περιβάλλοντα με μεγάλη χρονική διασπορά. Η δομή των UL και DL στο πεδίο του χρόνου είναι παρόμοια. Η ραδιο επαφή είναι δομημένη σε ένα μοντέλο με επίπεδα, παρόμοιο με το WCDMA, με έναν κομιστή στο επίπεδο 2 ( εδώ καλείται Υπηρεσία κομιστή - EPS Bearer Service), το οποίο αντιστοιχεί σε ένα PDP περιεχόμενο, μεταφέροντας τα δεδομένα στο επίπεδο 3 και σε end-to-end υπηρεσίες. Ο κομιστής EPS μεταφέρεται από την υπηρεσία E-UTRA ραδιο κομιστή στην ραδιο- διεπαφή. Ο E-UTRA ραδιο κομιστής μεταφέρεται από τα ραδιο κανάλια. Η δομή του ραδιο καναλιού χωρίζεται σε λογικά, μεταφοράς και φυσικά κανάλια. Τα λογικά κανάλια μεταφέρονται από κανάλια μεταφοράς, τα οποία με τη σειρά τους μεταφέρονται από τα φυσικά κανάλια, όπως απεικονίζεται στην εικόνα 2-3. 19

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2- ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ LTE IP packet IP packet User #i User #j EPS bearers PDCP #i Header Compr. PDCP Header Compr. Ciphering Deciphering MAC Payload selection RLC #i Segmentation, ARQ E-UTRA Radio Bearers RLC Concatenation, ARQ Priority handling, payload selection MAC multiplexing Logical Channels MAC MAC demultiplexing MAC scheduler Retransmission control PHY Hybrid ARQ Hybrid ARQ Coding + RM Coding Transport Channels PHY Hybrid ARQ Hybrid ARQ Coding + RM Decoding Redundancy version Modulation scheme Antenna and resource assignment Data modulation Modulation Antenna and Antenna and resrouce mapping resource mapping Data modulation Demodulation Antenna and Antenna and resrouce mapping resource demapping Physical Channels enodeb UE Εικόνα 2-3: Δομή της ραδιο διεπαφής Τα πρωτόκολλα που εκτελούν τις λειτουργίες στη ραδιο- διεπαφή είναι: το PDCP (Packet Data Convergence Protocol), το RLC (Radio Link Protocol), το MAC (Medium Access Control) και το φυσικό επίπεδο. Για τον έλεγχο της σηματοδοσίας χρησιμοποιείται το RRC (Radio Resource Control) πρωτόκολλο για να μεταφέρει την πληροφορία NAS (Non Access Stratum) πάνω στη ραδιο- διεπαφή. Το PDCP πρωτόκολλο χαρτογραφεί τον κομιστή EPS πάνω στον ασύρματο E- UTRAN κομιστή και εκτελεί συμπίεση κεφαλίδας (Robust Header Compression (ROHC).) To RLC πρωτόκολλο χαρτογραφεί τον ραδιο κομιστή E-UTRA σε ένα λογικό κανάλι και εκτελεί κατάτμηση (segmentation), μεταφορά αλληλουχίας και επαναμετάδοση. Το MAC πρωτόκολλο χαρτογραφεί το λογικό κανάλι σε ένα κανάλι μεταφοράς και είναι υπεύθυνο για την Hybrid ARQ (HARQ) και τον προγραμματισμό. Το φυσικό επίπεδο χαρτογραφεί το κανάλι μεταφοράς πάνω σε ένα φυσικό κανάλι και εκτελεί κωδικοποίηση καναλιού, διαμόρφωση κτλ. Το πρωτόκολλο αρχιτεκτονικής της ραδιο- διεπαφής φαίνεται στην εικόνα 2-4 σε επίπεδο ελέγχου και σε επίπεδο χρήστη. Τα πρωτόκολλα περιγράφονται παρακάτω πιο λεπτομερώς.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2- ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ LTE UE NAS RRC PDCP RLC MAC PHY UE PDCP RLC MAC PHY Control Plane enb RRC PDCP RLC MAC PHY User Plane enb PDCP RLC MAC PHY S1-CP S1-UP MME NAS S-GW Εικόνα 2-4:Αρχιτεκτονική πρωτοκόλλου ραδιο διεπαφής. 2.2.1 RADIO RESOURCE CONTROL (RRC) Το υποεπίπεδο ελέγχου ραδιο πόρων, RRC χειρίζεται την σηματοδοσία ελέγχου του τρίτου επιπέδου μεταξύ του UE και του enb. Αυτό παίρνει τις αποφάσεις μεταπομπής, που βασίζονται στις μετρήσεις αναφορών από τον UE και χειρίζεται τη μετάδοση περιεχομένου του UE από την πηγή (enb) στο στόχο (enb) κατά τη διάρκεια της μεταπομπής. Το RRC είναι επίσης υπεύθυνο για την εκκίνηση και τη διατήρηση των ραδιο κομιστών. Κύριες υπηρεσίες και συναρτήσεις που παρέχονται από το υποεπίπεδο του RRC Εκπομπή της πληροφορίας συστήματος Σελιδοποίηση Συναρτήσεις ασφαλείας συμπεριλαμβανομένου ολοκληρωμένης προστασίας για τα μηνύματα Εγκαθίδρυση, διαμόρφωση, διατήρηση και απελευθέρωση από σημείο σε σημείο των ραδιο κομιστών Διακυτταρική μεταπομπή Επιλογή κυττάρου και επανεπιλογή UE καθώς και έλεγχο της επιλογής κυττάρου και επανεπιλογή UE Μεταφορά κειμένου μεταξύ enbs Συναρτήσεις ποιότητας υπηρεσιών διαχείρισης Μετρήσεις UE αναφέροντας και έλεγχο αναφοράς 21

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2- ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ LTE 2.2.2 PACKET DATA CONERGENCE PROTOCOL (PDCP) Το PDCP υποεπίπεδο προσφέρει εύρωστη συμπίεση επικεφαλίδας (ROHC) για βελτίωση της μετάδοσης για τα δεδομένα που είναι ευαίσθητα στο θόρυβο όπως στην περίπτωση του VoIP και βίντεο κλήση. Επίσης, έχει τη δυνατότητα και για κρυπτογράφηση για λόγους ασφαλείας. Κύριες υπηρεσίες και συναρτήσεις που παρέχονται από το υποεπίπεδο του PDCP: Μεταφέρει τα δεδομένα του παραπάνω επιπέδου από NAS στο RLC υποεπίπεδο και αντίστροφα Συμπίεση/ αποσυμπίεση επικεφαλίδας( ROHC) Κρυπτογράφηση Διπλασιασμός της ανίχνευσης των κατώτερων επιπέδων SDUs Εικόνα 2-5: PDCP συμπίεση επικεφαλίδας 2.2.3 RADIO LINK CONTROL (RLC) Το RLC (έλεγχος ραδιο ζεύξης) υποεπίπεδο υποστηρίζει τρεις τύπους καταστάσεων μετάδοσης δεδομένων, κατάσταση αναγνώρισης (Acknowledgement Mode-AM), κατάσταση μη αναγνώρισης (Unacknowledged Mode - UM) και διαφανή κατάσταση (Transparent Mode). Η κατάσταση AM χρησιμοποιεί για επαναμεταδόσεις την Automatic Repeat Request (ARQ). Η ARQ μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για σηματοδοσία αναφοράς κατάστασης και για επανατοποθετήσεις των μεταδιδόμενων και των λαμβανόμενων RLC οντοτήτων. Το υποεπίπεδο RLC υποστηρίζει επίσης την κατάτμηση και τη σύνδεση των SDUs. Όταν ένα RLC PDU δεν ταιριάζει απόλυτα στο MAC SDU τα RLC SDUs θα κατατμηθούν σε μικρότερα κομμάτια. Η επανεκατάτμηση μπορεί να γίνει όταν ένα επαναμεταδιδόμενο PDU δεν ταιριάζει σε ένα MAC SDU. Ο αριθμός των επανεκατατμήσεων είναι απεριόριστος. SDUs και τμήματα (segments) SDUs συγκεντρώνονται στα PDUs.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2- ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ LTE Εικόνα 2-6: Κατάτμηση του RLC SDU Κύριες υπηρεσίες και συναρτήσεις που παρέχονται από το υποεπίπεδο του RLC: Μεταφορά από το παραπάνω επίπεδο PDUs υποστηρίζοντας AM,UM,και TM καταστάσεις. Μεταφορά με τη σειρά των PDUs του παραπάνω επιπέδου εκτός από τη μεταπομπή της ανερχόμενης ζεύξης Διπλασιασμός ανίχνευσης Κατάτμηση για δυναμικό μέγεθος PDU, δεν χρειάζεται παραγέμισμα Επανα-κατάτμηση των PDUs που χρειάζεται να επαναμεταδοθούν Συγκέντρωση των SDUs για τον ίδιο radio bearer Διόρθωση σφαλμάτων με επαναμετάδοση μέσω ARQ Ανίχνευση λάθους πρωτοκόλλου και ανάκτηση Απόρριψη SDU Επανατοποθέτηση 2.2.4 MEDIUM ACCESS CONTROL (MAC) Το επίπεδο MAC (έλεγχος πρόσβασης του μέσου) για πρόσβαση σε LTE μπορεί να συγκριθεί με αυτό της έκδοσης 6 MAC-hs/MAC-e και να καλύψει κυρίως παρόμοιες λειτουργίες: HARQ, χειρισμός προτεραιότητας (scheduling), επιλογή τυποποίησης μεταφοράς και έλεγχο DRX (δεν είναι μέρος του MAC). Το πρωτόκολλο (HARQ) είναι αρκετά όμοιο με την λύση που χρησιμοποιήθηκε για το HSDPA, δηλαδή, το πρωτόκολλο χρησιμοποιεί πολλαπλές stop-and-wait hybrid ARQ διαδικασίες. Το κίνητρο για αυτόν τον τύπο πρωτοκόλλου είναι για να επιτρέπει συνεχή μετάδοση, το οποίο δεν μπορεί να επιτευχθεί με ένα μόνο stop-and-wait, ενώ ταυτόχρονα έχει την απλότητα ενός stop-and-wait πρωτοκόλλου. Η λειτουργικότητα και η εκτέλεση του είναι όμοια με αυτή ενός παραθύρου που βασίζεται σε ένα επιλεκτικό επαναλαμβανόμενο πρωτόκολλο, αλλά απαιτείται μόνο ενός bit HARQ ανάδραση. Το πρωτόκολλο μοντελοποιείται όπως πολλές HARQ διαδικασίες, όπου κάθε διαδικασία χρησιμοποιεί ένα απλό stop-and-wait πρωτόκολλο. Χρησιμοποιώντας 23

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2- ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ LTE N HARQ παράλληλες HARQ διαδικασίες, όπου N HARQ > Round trip time / subframe length (μήκος υποπλαισίου), επιτυγχάνεται μια συνεχής μετάδοση. Ο μέγιστος χρόνος επεξεργασίας του UE πριν την αποστολή HARQ ανάδρασης έχει οριστεί έτσι ώστε να απαιτείται μια 8 HARQ διαδικασία για συνεχή μετάδοση στην FDD περίπτωση για μια τυπική enb εφαρμογή. Η 3GPP, χρησιμοποιεί ένα σύγχρονο HARQ για μετάδοση ανερχόμενης ζεύξης και ένα ασύγχρονο HARQ για μετάδοση κατερχόμενης ζεύξης. Αυτό σημαίνει ότι, για την ανερχόμενη μετάδοση (uplink), όταν γίνεται επαναμετάδοση είναι γνωστό στον λήπτη, ενώ στην κατερχόμενη (downlink) υπάρχει ελευθερία επιλογής υποπλαισίου για δυναμική επαναμετάδοση. Και για τις δύο περιπτώσεις uplink και downlink, μια σύγχρονη, ενός bit HARQ ανάδραση (ACK/NACK) στέλνεται παρέχοντας ανάδραση για την επιτυχία της προηγούμενης μετάδοσης. Το HARQ πρωτόκολλο είναι προσαρμοστικό για uplink και downlink, δηλαδή μπορεί να χρησιμοποιήσει μια διαφορετική πηγή για μια επαναμετάδοση σε σχέση με αυτό που χρησιμοποιήθηκε για την προηγούμενη (επανα)μετάδοση. Η επιπλέον (επανα)μετάδοση χρειάζεται να είναι γνωστή από τον λήπτη. Έτσι, μαζί με την (επανα)μετάδοση υπάρχει κι ένας δείκτης με το αν η μετάδοση περιέχει μια πρώτη μετάδοση ή μια επαναμετάδοση, το οποίο φαίνεται στο PDCCH κανάλι. Στην περίπτωση που τα δεδομένα είναι μια επαναμετάδοση των προηγούμενων αποθηκευμένων δεδομένων, τα λαμβανόμενα δεδομένα εύκολα συνδυάζονται με τα αποθηκευμένα δεδομένα στον διαθέσιμο buffer. Στην περίπτωση που τα λαμβανόμενα δεδομένα δεν είναι μια επαναμετάδοση ή είναι μια επαναμετάδοση των δεδομένων που δεν έχουν αποθηκευτεί, ο διαθέσιμος καταχωρητής αδειάζει και μόνο τα τελευταία λαμβανόμενα δεδομένα τοποθετούνται στον καταχωρητή. Demultiplexed into logical channels and forwarded to RLC for reordering TrBlk 1 TrBlk 2 TrBlk 5 TrBlk 3 Hybrid ARQ processes Receiver processing Receiver processing Receiver processing Receiver processing Receiver processing Receiver processing Receiver processing Receiver processing NAK ACK ACK NAK NAK NAK ACK ACK CFN 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 TrBlk 0 TrBlk 1 TrBlk 2 TrBlk 3 TrBlk 0 TrBlk 4 TrBlk 5 TrBlk 3 TrBlk 0 TrBlk 4 1 ms TTI Fixed timing relation Εικόνα 2-7: Αρχή του HARQ- τέσσερις πολλαπλές HARQ διαδικασίες Το MAC επίπεδο δεν υποστηρίζει κατά σειρά μεταφορά του RLC. Οι HARQ επαναμεταδόσεις θα οδηγήσουν τις μονάδες MAC Protocol Data Units (PDUs) να λαμβάνονται με διαφορετική σειρά απ ότι στέλνονται. Εξαιτίας της έλλειψης των MAC αριθμοί αλληλουχίας, οι RLC λήπτες θα πρέπει να αποκαταστήσουν την αρχική σειρά και να παρέχουν μεταφορά στα υψηλότερα επίπεδα κατά τη σωστή σειρά. 24

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2- ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ LTE Το MAC επίπεδο υποστηρίζει την ARQ διαδικασία στο RLC επίπεδο και αν ανιχνευθούν τοπικά ΗΑRQ σφάλματα δημιουργούνται σκανδαλίσεις (triggers), για παράδειγμα αν έχει φτάσει ο μέγιστος αριθμός των HARQ μεταδόσεων. Τέλος, το MAC επίπεδο επιτρέπει επίσης, τις ροές από έναν μοναδικό χρήστη να πολυπλεχθούν. Αντίστοιχα, η MAC επικεφαλίδα μεταφέρει την πολυπλεγμένη πληροφορία που χρησιμοποιήθηκε για να από-πολυπλέξει τις μονάδες RLC PDUs σε διαφορετικές ροές. 2.2.5 ΦΥΣΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ Το φυσικό επίπεδο προσφέρει πληροφορία μεταφοράς υπηρεσιών στα υψηλότερα στρώματα μέσω των καναλιών μεταφοράς. Τα κανάλια περιγράφουν πως και με ποια χαρακτηριστικά τα δεδομένα μεταφέρονται πάνω στη ραδιο διεπαφή. 2.3 H ΔΙΕΠΑΦΗ S1 Η s1-u διεπαφή παρέχει μια μη εγγυημένη μεταφορά δεδομένων στο πεδίο χρήστη μεταξύ του enb και του agw. Στο επίπεδο δικτύου χρησιμοποιείται το UDP/IP και στην κορυφή αυτού χρησιμοποιείται το GTP-U για τη μεταφορά δεδομένων του πεδίου χρήστη μεταξύ του enb και του agw όπως φαίνεται και στην εικόνα 2-8. Εικόνα 2-8: S1 διεπαφή για το πεδίο χρήστη και ελέγχου Η διεπαφή S1 στο πεδίο ελέγχου (S1-MME) ορίστηκε μεταξύ του enb και του MME. Η στοίβα πρωτοκόλλου της S1 διεπαφής χτίστηκε στο IP μεταφοράς, ομοίως με το πεδίο του χρήστη, αλλά για αξιόπιστη μεταφορά της σηματοδοσίας SCTP προστέθηκε στην κορυφή του IP. 2.3.1 GPRS Tunnelling Protocol για το πεδίο χρήστη Το GTP-U μεταφέρει τα SDUs και τα μηνύματα σηματοδοσίας μέσω σηράγγωσης μεταξύ των GTP-U Tunnel τερματικών σημείων. Ένα Tunnel τερματικό σημείο (TEID) στην GTP-U επικεφαλίδα δείχνει για ένα συγκεκριμένο SDU σε ποιο τούνελ ανήκει. Χρησιμοποιώντας την TEID πολύπλεξη/αποπολύπλεξη διαφορετικών UEs, πρωτόκολλα διαφορετικών πακέτων και διαφορετικής ποιότητας υπηρεσιών (QoS) υποστηρίζονται από το GTP-U επίπεδο μεταξύ ενός δοθέντος ζεύγους τούνελ. 25

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2- ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ LTE 2.4 ΔΟΜΗ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Το φυσικό επίπεδο παρέχει τα κανάλια μεταφοράς στο L2 επίπεδο. Αυτά τα κανάλια μεταφοράς διαφέρουν ως προς τα χαρακτηριστικά τους για τον τρόπο που τα δεδομένα μεταφέρονται και χαρτογραφούνται σε διαφορετικά λογικά κανάλια, τα οποία παρέχονται από το MAC επίπεδο. Τα λογικά κανάλια περιγράφουν τον τύπο του δεδομένου που διαβιβάζεται. 2.4.1 ΛΟΓΙΚΑ ΚΑΝΑΛΙΑ Τα λογικά κανάλια μπορούν να διαχωριστούν σε κανάλια ελέγχου και σε κανάλια κίνησης. Τα κανάλια ελέγχου χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά της πληροφορίας του πεδίου ελέγχου και τα κανάλια κίνησης χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά της πληροφορίας του πεδίου χρήστη. Τα ακόλουθα λογικά κανάλια υποστηρίζονται στην περίπτωση του LTE: Κανάλια Ελέγχου Broadcast Control Channel (BCCH): Ένα κανάλι κατερχομένης ζεύξης που εκπέμπει πληροφορία ελέγχου στο σύστημα Paging Control Channel (PCCH): Ένα κανάλι κατερχομένης ζεύξης που μεταφέρει πληροφορία σελιδοποίησης. Αυτό το κανάλι χρησιμοποιείται όταν το δίκτυο δεν γνωρίζει την θέση του κυττάρου του UE. Common Control Channel (CCCH): Αυτό το κανάλι χρησιμοποιείται για τους UEs που δεν έχουν καμία RRC σύνδεση με το δίκτυο. Το CCCH θα χρησιμοποιηθεί από τους UEs όταν προσπελαύνει ένα νέο κύτταρο ή μετά από επανεπιλογή κυττάρου. Multicast Control Channel (MCCH): Ένα κατερχόμενο κανάλι (downlink) από ενός σημείου-σε-πολλαπλού σημείου (point-to-multipoint) χρησιμοποιείται για την μεταφορά του MBMS σχεδιασμού και της πληροφορίας ελέγχου από το δίκτυο στο UE, για ένα ή πολλά MTCHs. Μετά την εγκατάσταση μιας RRC σύνδεσης αυτό το κανάλι χρησιμοποιείται μόνο από τους UEs που λαμβάνουν τα MBMS. Dedicated Control Channel (DCCH): Ένα σημείο-προς-σημείο (point-topoint) αμφίδρομο κανάλι που μεταφέρει συγκεκριμένη πληροφορία ελέγχου μεταξύ ενός UE και του δικτύου. Χρησιμοποιείται από τους UEs έχοντας μια RRC σύνδεση. ΚΑΝΑΛΙΑ ΚΙΝΗΣΗΣ Dedicated Traffic Channel (DTCH): Ένα αφιερωμένο κανάλι κίνησης (DTCH) είναι ένα σημείο προς σημείο κανάλι αφιερωμένο σε έναν UE, για τη μεταφορά της πληροφορίας χρήστη. Ένα DTCH μπορεί να υπάρχει σε uplink και downlink. 26

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2- ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ LTE Multicast Traffic Channel (MTCH): Ένα downlink κανάλι point-to-multipoint για μετάδοση δεδομένων κίνησης από το δίκτυο στους UEs χρησιμοποιώντας τα MBMS. Εικόνα 2-9: Λογικά κανάλια 2.4.2 ΚΑΝΑΛΙΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Έχει γίνει μια προσπάθεια για να διατηρηθεί ένας μικρός αριθμός από κανάλια μεταφοράς, προκειμένου να αποφευχθούν μη χρήσιμες μεταγωγές μεταξύ διαφόρων τύπων καναλιών, τα οποία έχουν βρεθεί ότι καθυστερούν στο UMTS. Στην πραγματικότητα υπάρχει μόνο ένα κανάλι μεταφοράς για downlink και ένα για uplink που μεταφέρει τα δεδομένα χρήστη, δηλαδή δεν απαιτείται μεταγωγή καναλιού. Για το LTE, τα ακόλουθα κανάλια μεταφοράς παρέχονται από το φυσικό επίπεδο: Downlink: Broadcast Channel (BCH): Ένας χαμηλός σταθερός ρυθμός μετάδοσης εκπέμπει σε ολόκληρη την περιοχή κάλυψης του κυττάρου. Beamforming δεν εφαρμόζεται. Downlink Shared Channel (DL-SCH): Ένα κανάλι με δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τη HARQ διασικασία και την προσαρμοστικότητα σύνδεσης μεταβάλλοντας την διαμόρφωση, την κωδικοποίηση και τη μετάδοση ισχύος. Το κανάλι είναι πιθανό να εκπέμπει σε ολόκληρο το κύτταρο και ίσως να μπορεί να εφαρμόσει beamforming. Η αποθήκευση ισχύος του UE (DRX) υποστηρίζεται για τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας του UE. Η μετάδοση MBMS υποστηρίζεται επίσης. Paging Channel (PCH): Ένα κανάλι που εκπέμφθηκε σε ολόκληρο το κύτταρο. Το DRX υποστηρίζεται ενεργοποίηση της αποθήκευσης ενέργειας. 27

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2- ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ LTE Multicast channel (MCH): Ένα ξεχωριστό κανάλι μεταφοράς για πολυεκπομπή (multicast-mbms). Αυτό το κανάλι εκπέμπει σε ολόκληρη την περιοχή κάλυψης του κυττάρου. Επίσης, υποστηρίζεται συνδυασμός των MBMS μεταδόσεων από πολλαπλά κανάλια (MBSFN). Uplink: Uplink Shared channel (UL-SCH): Ένα κανάλι με δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τη HARQ διαδικασία και την προσαρμοστικότητα της σύνδεσης μεταβάλλοντας την διαμόρφωση, την κωδικοποίηση και τη μετάδοση ισχύος. Beamforming ίσως να μπορεί να εφαρμοστεί. Random Access Channel (RACH): Ένα κανάλι που χρησιμοποιείται για να αποκτήσει χρονικό συγχρονισμό (ασύγχρονη τυχαία προσπέλαση) και για να μεταφέρει πληροφορία που απαιτείται για τις σχεδιασμένες μεταβιβάσεις (σύγχρονη τυχαία προσπέλαση). Η μετάδοση βασίζεται τυπικά στην ανταγωνιστικότητα. Στους UEs που έχουν RRC σύνδεση υπάρχει μια περιορισμένη στήριξη για ανταγωνισμό ελεύθερης πρόσβασης. Εικόνα 2-10: Κανάλια μεταφοράς 2.4.2 ΦΥΣΙΚΑ ΚΑΝΑΛΙΑ Το φυσικό επίπεδο προσφέρει υπηρεσίες στο MAC επίπεδο σύμφωνα με τον τύπο καναλιών μεταφοράς. Τα δεδομένα χρήστη προκειμένου να μεταδοθούν μεταφέρονται στο φυσικό επίπεδο από το επίπεδο MAC σε μορφή μπλοκ μεταφοράς. Το MAC επίπεδο από την πλευρά του εκπομπού παρέχει επίσης στο φυσικό επίπεδο την απαραίτητη πληροφορία ελέγχου για μετάδοση και/ή για αποδοχή των δεδομένων χρήστη. Το φυσικό επίπεδο ορίζει τα φυσικά κανάλια και τα φυσικά σήματα. Ένα φυσικό κανάλι αντιστοιχεί σε ένα σύνολο φυσικών πόρων που χρησιμοποιούνται για 28

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2- ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ LTE μετάδοση των δεδομένων και/ή για έλεγχο της πληροφορίας από το MAC επίπεδο. Ένα φυσικό σήμα, το οποίο επίσης αντιστοιχεί σε ένα σύνολο από φυσικές πηγές, χρησιμοποιείται για να υποστηρίξει την λειτουργικότητα του φυσικού επιπέδου αλλά δεν μεταφέρει καμία πληροφορία από το MAC επίπεδο. Από μια πιο ειδική οπτική γωνία, τα φυσικά κανάλια ορίζονται σύμφωνα με τα πρότυπα 3GPP TS 36.211 και 36.212, ενώ τα φυσικά σήματα ορίζονται μέσα στο 36.211. Τα ακόλουθα φυσικά κανάλια και φυσικά σήματα ορίζονται ως: ΦΥΣΙΚΑ ΚΑΝΑΛΙΑ Physical Downlink Shared Channel (PDSCH): για μετάδοση του DL-SCH καναλιού μεταφοράς Physical Uplink Shared Channel (PUSCH): για μετάδοση του UL-SCH καναλιού μεταφοράς Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH): δείχνει το PDCCH στο downlink Physical Downlink Control Channel(PDCCH): για τη μεταφορά downlink σηματοδοσίας ελέγχου L1/L2 Physical Uplink Control Channel(PUCCH): για τη μεταφορά uplink σηματοδοσίας ελέγχου L1/L2 Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH): για μεταφορά HARQ πληροφορίας Physical Broadcast Channel (PBCH): downlink μεταφέρει το BCH κανάλι μεταφοράς Physical Multicast Channel (PMCH): κάνει την downlink μετάδοση του MCH καναλιού μεταφοράς/ Physical Random Access Channel (PRACH): κάνει την uplink μετάδοση του τυχαίας πρόσβασης προενισχυτή όπως δίνεται από το Rach κανάλι μεταφοράς ΦΥΣΙΚΑ ΣΗΜΑΤΑ Σήματα αναφοράς RS: υποστηρίζουν μετρήσεις και σύμφωνες (coherent) αποδιαμορφώσεις σε uplink και downlink. Primary και Secondary Synchronization Signals (P-SCH και S-SCH): μόνο στη διαδικασία downlink και χρησιμοποιείται στις διαδικασίες αναζήτησης κυψελών. Sounding Reference Signals (SRS): υποστηρίζει uplink μετρήσεις σχεδιαμού Η εικόνα 2-7 απεικονίζει τα λογικά κανάλια και την χαρτογράφηση των καναλιών μεταφοράς και φυσικών καναλιών. 29

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2- ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ LTE Downlink Uplink PCCH MTCH MCCH BCCH MIB SIB DTCH DCCH CCCH DTCH DCCH CCCH Logical Channels type of information (traffic/control) PCH MCH BCH DL-SCH UL-SCH RACH Transport Channels how and with what characteristics (common/shared/mc/bc) PMCH PBCH -meas for DL sched -meas for mobility -coherent demod RS PDSCH PDCCH info PCFICH -half frame sync -cell id P-SCH -Sched TF DL -Sched grant UL -Pwr Ctrl cmd -HARQ info ACK/NACK PDCCH PHICH -frame sync -cell id group S-SCH -CQI -ACK/NACK -Sched req. PUCCH -coherent demod RS PUSCH PRACH -measurements for UL scheduling SRS Physical Channels bits, symbols, modulation, radio frames etc Physical Signals only L1 info Εικόνα 2-11: Χαρτογράφηση καναλιού 2.5 ΣΥΧΝΟΤΙΚΕΣ ΜΠΑΝΤΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Το E-UTRAN σχεδιάστηκε για να λειτουργεί σε συχνοτικές μπάντες όπως ορίζεται από τον πίνακα 1. Οι απαιτήσεις ορίζονται σε εύρη ζώνης 1.4, 3, 5, 10, 15 και 20MHz με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά όσο αφορά τον αριθμό των resource blocks (6, 15, 25, 50 και 100 RB). Η εικόνα 2.12 απεικονίζει τη σχέση μεταξύ του σχηματισμού του συνολικού εύρους ζώνης του καναλιού, δηλαδή τον αριθμό των resource blocks. Η περιοχή αναπαραγωγής του καναλιού είναι 100 KHz (η κεντρική συχνότητα πρέπει να είναι πολλαπλάσια του 100). Εικόνα 2-12: Σχέση μεταξύ εύρους ζώνης καναλιού και σχηματισμό εύρους ζώνης μετάδοσης Για να υποστηρίζεται η μετάδοση σε paired και unpaired φάσματα, δύο αμφίδρομες καταστάσεις ορίζονται με διαίρεση Συχνότητας (Frequency Division Duplex FDD), η 30

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2- ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ LTE οποία μπορεί να υποστηρίξει πλήρη αμφίδρομη και ημι-αμφίδρομη λειτουργία και η με διαίρεση χρόνου (Time Division Multiplexing TDD). Πίνακας 1: E-UTRAN συχνοτικές μπάντες 31

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2- ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ LTE

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 OFDMA ΚΑΙ SC-FDMA ΤΟΥ LTE 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο LTE η περίπτωση της κατερχόμενης πολλαπλής πρόσβασης βασίζεται στην Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) και στην ανερχόμενη πολλαπλής πρόσβασης στο Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC- FDMA). Παρακάτω αναφέρονται οι βασικές αρχές για μετάδοση με πολλαπλές κεραίες, χρησιμοποιώντας την τεχνική Multiple Input Multiple Output (MIMO). 3.2 ΙΣΤΟΡΙΚΟ LTE ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ Η μετάδοση ενός Single Carrier (SC) σημαίνει ότι η πληροφορία διαμορφώνεται σε έναν μόνο φορέα, προσαρμόζοντας τη φάση ή το πλάτος του φέροντος ή και τα δύο. Η συχνότητα επίσης θα μπορούσε να προσαρμοστεί, αλλά στο LTE αυτό δεν είναι αποτελεσματικό. Σε ένα ψηφιακό σύστημα όσο μεγαλύτερο είναι ο ρυθμός δεδομένων τόσο μεγαλύτερος είναι και ο ρυθμός συμβόλου και έτσι το εύρος ζώνης είναι μεγαλύτερο. Με τη χρήση της απλής Quadrature Amplitude Modulation (QAM), ο πομπός προσαρμόζει το σήμα να μεταφέρει τον επιθυμητό αριθμό των bits ανά διαμορφωμένο σύμβολο. Η τελική κυματομορφή φάσματος είναι ένα φάσμα ενός φέροντος, όπως φαίνεται στην εικόνα 3-1. Με τις βασικές αρχές του Frequency Division Multiple Access(FDMA), διαφορετικοί χρήστες θα μπορούν να χρησιμοποιούν διαφορετικούς φορείς ή υπο-φορείς, όπως

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3- OFDMA ΚΑΙ SC-FDMA ΤΟΥ LTE φαίνεται στην εικόνα 3-2, για να έχουν πρόσβαση στο σύστημα ταυτόχρονα έχοντας διαμορφώσει τα δεδομένα τους γύρω από διαφορετικές κεντρικές συχνότητες. Εικόνα 3-1: Single carrier πομπός Εικόνα 3-2: Βασική αρχή FDMA Σημαντικό είναι ότι κατά τη δημιουργία της κυματομορφής να μην υπάρχει πολύ μεγάλη αλληλεπίδραση μεταξύ των φορέων, ούτε ο ένας φορέας δεν πρέπει να χρησιμοποιεί μεγάλα διαστήματα φύλαξης μεταξύ των χρηστών. Η χρήση της βασικής αρχής πολλαπλών φερόντων απεικονίζεται στην εικόνα 3-3, όπου τα δεδομένα διαχωρίζονται σε διαφορετικούς υπο-φορείς σε έναν πομπό. Το παράδειγμα της εικόνας 3-3 έχει μια τράπεζα φίλτρων, η οποία για πρακτικές λύσεις συχνά αντικαθίσταται με τον αντίστροφο FFT (IFFT) για εφαρμογές όπου ο αριθμός των υπο-φορέων είναι υψηλός. Υπάρχει ένα σταθερό διάστημα μεταξύ των γειτονικών υπο-φορέων. Για να διευθυνσιοδοτηθεί η τελική ανεπάρκεια από τις πιθανές απαιτήσεις για μπάντες ασφαλείας, η προσέγγιση είναι να επιλεχθούν οι παράμετροι του συστήματος με τέτοιο τρόπο ώστε να επιτευχθεί ορθογωνιότητα μεταξύ των διαφόρων μεταδόσεων και να δημιουργηθούν οι υπο-φορείς έτσι ώστε να μην αλληλεπιδρούν μεταξύ τους αλλά τα φάσματά τους να μπορούν ακόμα και να επικαλύπτονται στο πεδίο συχνότητας. Αυτό επιτυγχάνεται με την αρχή ορθογώνιας πολύπλεξης, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDMA), όπου κάθε μια από τις κεντρικές συχνότητες για τους υποφορείς επιλέγεται από ένα σύνολο, το οποίο έχει τέτοια διαφορά στο πεδίο συχνότητας που οι γειτονικοί υπο-φορείς έχουν μηδενική τιμή τη στιγμή δειγματοληψίας του επιθυμητού υπο-φορέα, όπως φαίνεται στην εικόνα 3-4. Για το LTE, η σταθερή συχνοτική διαφορά μεταξύ των υπο-φορέων έχει 34

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3- OFDMA ΚΑΙ SC-FDMA ΤΟΥ LTE επιλεχθεί στα 15kHz στην έκδοση 8 (μια εναλλακτική είναι τα 7.5kHz που σχεδιάζεται να υποστηρίζεται στις τελευταίες εκδόσεις σε συνδυασμό με τις εφαρμογές εκπομπής όπως η κινητή TV). Εικόνα 3-3: Βασική αρχή πολλαπλών φορέων Η βασική αρχή του OFDMA είναι ήδη γνωστή από το 1950, τότε που τα συστήματα χρησιμοποιούσαν αναλογική τεχνολογία. Από την διάδοση της χρήσης της ψηφιακής τεχνολογίας για τις τηλεπικοινωνίες, το OFDMA έγινε πιο εφικτό. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων χρόνων η τεχνολογία OFDMA υιοθετήθηκε ευρέως σε πολλές περιοχές όπως την ψηφιακή τηλεόραση (DVB-T και DVB-H) καθώς επίσης στις εφαρμογές ασύρματων τοπικών δικτύων (WLAN). Οι βασικές αρχές OFDMA χρησιμοποιήθηκαν στο ανερχόμενο (uplink) μέρος του LTE πολλαπλής πρόσβασης, όπως ο SC-FDMA χρησιμοποιεί πολλές από τις βασικές αρχές του OFDMA στην ανερχόμενη κατεύθυνση για την επίτευξη υψηλής φασματικής απόδοσης. Το γενικό κίνητρο για τη χρήση του OFDMA στο LTE και σε άλλα συστήματα είναι σύμφωνα με τις παρακάτω ιδιότητες: καλή απόδοση σε συχνοτικά επιλεκτικά fading κανάλια Χαμηλή πολυπλοκότητα του λήπτη Καλές φασματικές ιδιότητες και χειρισμό των πολλαπλών εύρων ζώνης προσαρμογή σύνδεσης και προγραμματισμός στο πεδίο συχνότητας συμβατότητα με εξελιγμένους δέκτες και τεχνολογίες κεραιών Πολλά από αυτά τα πλεονεκτήματα θα μπορούσαν να επιτευχθούν ακολουθώντας τις τελευταίες εξελίξεις στην αρχιτεκτονική της ραδιο διεπαφής δικτύου, δηλαδή θέτοντας τον σχετικό ραδιο έλεγχο στο σταθμό βάσης (NodeB ) και καθώς τα εύρη ζώνης του συστήματος γίνονται μεγαλύτερα, πάνω από 5 MHz, η πολυπλοκότητα του δέκτη γίνεται κάτι περισσότερο από ένα απλό θέμα. Για το OFDMA ισχύουν: Αντοχή στη μετατόπιση συχνότητας. Αυτό αντιμετωπίστηκε στο σχεδιασμό LTE επιλέγοντας ένα διάστημα υπό-φορέα 15kHz, το οποίο δίνει μια αρκετά 35

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3- OFDMA ΚΑΙ SC-FDMA ΤΟΥ LTE μεγάλη αντοχή για τη μετατόπιση Doppler εξαιτίας της ταχύτητας και τις ατέλειες εφαρμογής. Υψηλή Peak-to-Average Ratio (PAR) του μεταδιδόμενου σήματος, το οποίο απαιτεί μεγάλη γραμμικότητα στον πομπό. Οι γραμμικοί ενισχυτές έχουν μια χαμηλή απόδοση μετατροπής ενέργειας κι έτσι δεν είναι ιδανικοί για κινητές ανερχόμενες μεταδόσεις (uplinks). Στο LTE αυτό λύθηκε χρησιμοποιώντας SC-FDMA, το οποίο ενεργοποιεί καλύτερα την απόδοση ενέργειας ενισχυτή. Εικόνα 3-4: Διατηρώντας την ορθογωνιότητα των υπο-φορέων Οι επιλογές της τεχνολογίας που χρησιμοποιήθηκαν για τα συστήματα τρίτης γενιάς, η έλλειψη μιας λογικής uplink λύσης, η ανάγκη για εξελιγμένες λύσεις κεραίας (με περισσότερες της μιας κεραίας) και έχοντας ραδιο έλεγχο πόρων (radio resource) κεντρικοποιημένο στο Radio Network Controller (RNC) ήταν τα σημεία κλειδιά που δεν δικαιολογήθηκε η χρήση της OFDMA τεχνολογίας νωρίτερα. Υπήρχαν έρευνες να εξεταστεί το OFDMA μαζί με το CDMA.Αυτό που ενεργοποίησε όμως τη χρήση OFDMA, ήταν τεχνολογίες που κάνουν το OFDMA να λειτουργεί καλύτερα, όπως σταθμοί βάσης που στηρίζονται στον προγραμματισμό (scheduling) και στην τεχνική MIMO, τα οποία εισάχθηκαν στην τελευταία φάση της WCDMA εξέλιξης. Αυτές οι ενισχύσεις, που εισάχθηκαν στο WCDMA μεταξύ του 2002 και 2007, επέτρεψαν στην τεχνολογία OFDMA να χρησιμοποιείται καλύτερα από ότι θα ήταν στην περίπτωση της απλής χρήσης του OFDMA, μόνο σαν μέθοδο διαμόρφωσης βασιζόμενη στη κλασσικά χαρακτηριστικά της δεύτερης γενιάς κυτταρικών δικτύων, χωρίς να χρησιμοποιεί τα ανεπτυγμένα χαρακτηριστικά της.[10] 3.3 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ OFDMA Η επικοινωνία μεταξύ πολλαπλών χρηστών απαιτεί τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης. Γενικά, οποιαδήποτε από τις γνωστές τεχνικές (TDMA και FDMA) μπορεί να χρησιμοποιηθεί άσχετα από τη φύση του OFDM σήματος. Παρόλα αυτά, οι ιδιότητες 36